Credito:immagini al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) di Dele Peter Fapojuwo, Università di Johannesburg. Progetto grafico di Therese van Wyk, Università di Johannesburg.
I ricercatori dell'UJ intraprendono un nuovo passo per trasformare l'idrogenazione in un ambiente sicuro, processo a bassa energia. Usano un'emulsione trifase molto stabile per trasformare un prodotto di scarto tossico in una preziosa materia prima. Il processo non ha bisogno di infiammabili, idrogeno compresso.
La catalisi dell'emulsione idrogena il nitrobenzene in modo efficiente a temperatura ambiente per produrre anilina. L'anilina è ampiamente utilizzata nell'industria farmaceutica. Il catalizzatore di idrogenazione bimetallico viene poi completamente recuperato.
Senza idrogenazione, non sarebbe possibile produrre molti dei farmaci odierni. È un processo fondamentale per le industrie farmaceutiche e chimiche. Ma l'idrogeno è costoso. Anche le misure di sicurezza per prevenire le esplosioni nelle fabbriche e nei laboratori sono costose.
Però, se l'idrogeno compresso non è affatto necessario, sono possibili risparmi significativi. Significa anche che molti processi chimici possono essere molto più sicuri e più facili da gestire.
I chimici dell'Università di Johannesburg lo hanno dimostrato, in una ricerca pubblicata in Colloidi e Superfici .
Hanno convertito il nitrobenzene in anilina, utilizzando un processo di idrogenazione catalizzata in un'emulsione Pickering.
Il processo di emulsione ha il potenziale per essere un processo di idrogenazione industriale molto più sicuro di quelli attualmente in uso.
"Le emulsioni di picking esistono da 150 anni. Ma il loro utilizzo per la catalisi è emerso solo nel 2014, " afferma il professor Reinout Meijboom. Meijboom è ricercatore presso il dipartimento di Scienze chimiche.
Yogurt, è un esempio di emulsione Pickering. Tale emulsione è una miscela di particelle che si dissolvono facilmente in acqua, e particelle che si dissolvono facilmente nell'olio. Ciò che rende lo yogurt un'emulsione Pickering è che contiene anche enzimi, che sono particelle solide che non si dissolvono.
Il nitrobenzene è prodotto in enormi quantità a livello globale come scarto della produzione chimica. È altamente tossico, inquinante organico persistente descritto dall'OMS, EPA e CDC, tra gli altri.
La produzione di poliuretani utilizza il nitrobenzene come intermedio. È anche usato come solvente nella raffinazione del petrolio. Le acque reflue dei produttori di coloranti contengono spesso nitrobenzene. È un liquido oleoso e presenta un rischio di incendio.
L'anilina è un prodotto industrialmente significativo. È una materia prima per un vasto numero di prodotti chimici, compresi molti medicinali.
Il processo progettato dai ricercatori utilizza il toluene per dissolvere il nitrobenzene. Questo costituisce il primo, fase organica o toluenica del processo. Per la seconda fase acquosa, hanno sciolto il sodio boroidruro in acqua.
Il catalizzatore è la terza fase del processo. È costituito da microsfere di silice modificata e Palladio. Hanno anche usato un catalizzatore bimetallico, dove il Palladio è combinato con Cobalto o Nichel.
Se si sommano le tre fasi, ma non mescolato in un'emulsione, la combinazione può essere conservata per giorni o settimane, dice Meijboom. Si verifica una piccola quantità di idrogenazione, ma il processo inizia davvero solo quando si forma un'emulsione adeguata.
Il catalizzatore agisce anche come emulsionante stabilizzante.
Quando le tre fasi vengono mescolate in un'emulsione, il catalizzatore avvia il processo di idrogenazione. La formazione dell'emulsione richiede alcuni secondi. La reazione richiede circa due ore su scala di laboratorio.
L'idrogeno necessario per l'idrogenazione è fornito dal boroidruro di sodio disciolto. L'idrogenazione avviene in modo efficiente a temperatura ambiente, che fa risparmiare energia.
Non c'è bisogno di idrogeno immagazzinato o convogliato. Ciò elimina la maggior parte del rischio di esplosione dal processo.
Il processo a tre fasi in un'emulsione Pickering ha il vantaggio di una superficie catalitica molto più grande, rispetto a un processo a fase singola o a due fasi, dice Meijboom.
L'efficienza catalitica può essere regolata regolando il rapporto in volume delle fasi toluene e acqua nel sistema di emulsione Pickering.
"Ogni goccia di soluzione di toluene e nitrobenzene nell'emulsione diventa effettivamente un microreattore. È così che il processo può essere regolato per essere efficiente a temperatura ambiente, " Aggiunge.
Credito:immagini al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) di Dele Peter Fapojuwo, Università di Johannesburg. Progetto grafico di Therese van Wyk, Università di Johannesburg.
Al termine dell'idrogenazione, l'emulsione risultante è sufficientemente stabile per la conservazione per alcuni giorni, prima di separare l'anilina.
Lo studio è il primo uso efficiente di un catalizzatore di palladio bimetallico per l'idrogenazione di un composto aromatico in un sistema di emulsione Pickering a base acquosa, dice il signor Peter Dele Fapojuwo. È ricercatore post-laurea presso il dipartimento.
"Aggiungendo nichel o cobalto al catalizzatore, abbiamo migliorato la dispersione del Palladio sulla superficie dell'emulsionante, " Aggiunge.
Il palladio è molto più costoso del nichel o del cobalto, quindi l'uso del catalizzatore bimetallico riduce ulteriormente i costi.
"L'uso di particelle solide sia come catalizzatori che come emulsionanti, o stabilizzatore, rappresenta meno minaccia per l'ambiente rispetto al tensioattivo convenzionale. La loro composizione è meno tossica, "dice Fapojuwo.
La piattaforma di reazione è significativamente più sicura quando si utilizza boroidruro di sodio come riducente, piuttosto che idrogeno, Aggiunge.
"L'idrogenazione che utilizza idrogeno derivato dal petrolio non è né totalmente ecologica né economicamente fattibile. Richiede idrogeno ad alta pressione, che richiede costose apparecchiature per reattori. Ciò aumenta i costi di processo, " Aggiunge.
"In teoria, questo processo può essere adattato al mantenimento di una fase in un reattore a letto fisso e alla sintesi del flusso. Il risultato sarebbe un processo continuo di reazioni catalitiche tra due fasi immiscibili, "dice Meijboom.
"Questa è la fase di prova del principio. Stiamo lavorando per generalizzare il processo, " lui dice.
"Abbiamo progettato un processo che può essere esteso a una gamma di reazioni importanti dal punto di vista industriale.
"Utilizzando la chimica delle emulsioni, abbiamo un sistema in cui catalizzatore, emulsionatore, fase acquosa e organica si mescolano in un sistema estremamente stabile, "dice Meijboom.
