Саноатнинг кимё, нефтгазни қайта ишлаш, озиқ-овқат, ўрмонтехник ва айрим бошқа соҳаларидаги техник тараққиёт катализаторлар ва сорбентларни қўллаш билан узвий боғланган

2. Катализаторлар ва сорбентларни халқ хўжалигидаги аҳамияти

Халқ хўжалиги учун аҳамиятли бўлган маҳсулотларни ишлаб чиқаришда қўлланиладиган катализаторлар ва каталитик реакциялар ҳақида баъзи-бир тасаввурларни қуйида келтирамиз (1-жадвал).

Энг йирик, кўп тоннали катализатор бўлиб алюмосиликатлар ҳизмат қилади. Аморф ҳолидаги алюмосиликатлар нефт маҳсулотларини каталитик ишлашларда турли жараёнларда (масалан, крекингда) шахсан катализаторлар сифатида, металл ва оксидлар учун мустаҳкам ёювчилар сифатида кенг қўлланилади.
Энг аҳамиятли каталитик реакциялар ва катализаторларни қуйидаги уч гуруҳга ажратиб, ўрганиш мумкин:
1. Оксидланиш-қайтарилиш (гомолитик) реакциялари.
2. Кислота-асосли (гетеролитик) реакциялар.
3. Полифункционал катализаторлардаги мураккаб жараёнлар.
Ҳар бир гуруҳни алоҳида-алоҳида ўрганиб чиқиш мақсадга мувофиқдир.
Оксидланиш-қайтарилиш (гомолитик) реакциялари.
Ушбу типдаги реакциялар икки нимгуруҳга бўлинади:
1) Оксидланиш;
2) Гидрирлаш;

Асосий органик ва нефтекимёвий синтездаги энг аҳамиятли каталитик оксидлаш жараёнлари ҳақида қуйидаги маълумотларни берамиз:

N	Реакция схемаси	Мақсадий маҳсулот	Энг аҳамиятли қаттиқ катализаторлар
1	2	3	4
1.	SO2 SO3	Сульфат кислота	Pt, ишқорий ме-таллар сульфат-лар билан V2O5, Fe2O3
2.	CO CO2	Газларни ва ҳаво-ни CO дан тоза-лаш	Гопкалит-Mn, Cu, Co, Ag оксидлари аралашмаси; Pt, Pd.
3.	H2, CH4 ва бошқа углеводород-лар  CO2 ва сув	Газларни ва ҳаво-ни тозалаш	Pt, Pd, CoO, CuO, V2O5, NiO
4.	NH3 NO	Нитрат кислота	Pd билан қотиш-мадаги Pt, Rh.
5.	HCl H2O+Cl2	Хлор	CuCl2, CrCl3
6.	CH3OH HCHO	Формальдегид	Ag, Cu, темир мо-либдати
7.	CH4 HCHO	Формальдегид	Магний оксиди билан модифи-цирланган алю-мосиликатлар; қалай оксиди.
8.	CH2=CH2 CH2 – CH2 O	Этилен оксиди	Ag
1.	2.	3.	4.
9.	CH2=CH2 CH3CHO	Атцетальдегид	Pd тузлари, V2O5, Cr2O3
10.	CH3CHO CH3COOH	Сирка кислотаси	Mn ва Co тузлари (суюқ фазада)
11.	C10H8 C8H4O3	Фтал альдегид	V2O5+K2SO4
12.	C6H6 C4H4O3	Малеин ангидрид	V2O5+MoO3
13.	C6H5CH3 C6H5CHO	Бензальдегид	V2O5; WO2+MoO3 CuSO4
14	CH2=CH – CH3 CH2=CH – CHO	Акролеин	CuO; SnO2+Sb2O3 Висмутни молиб-дат ва вольфра-матлари
15.	CH2=CH–CH3+NH3+1,5O2  CH2=CH – CN+3H2O	Акрилонитрил	Висмут молиб-дати; қалай ва сурма оксидлари
16.	mCH4+nH2O m’CO+n’H2	Синтез – газ	Ni
17.	CO+H2O CO2+H2	Водород	Fe2O3+Cr2O3; ZnO+Cr2O3+CuO; Cu(CrO2)2

Асосий органик ва нефтекимёвий синтези ҳамда нефтгазни қайта ишлашдаги каталитик гидрирлаш энг аҳамиятли жараёнлари.

Ушбу каталитик гидрирлаш жараёнларини қуйида жадвал ҳолида берамиз:

N	Реакция схемаси	Мақсадий маҳсулот	Энг аҳамиятли қаттиқ катализаторлар
1	2	3	4
18.	N2+3H2 2NH3	Аммиак	Промотрлар (K2O, Al2O3, SiO2, CaO ва бошқ.) билан темир
19.	CO+2H2 CH3OH	Метанол	ZnO+Cr2O3 (+CuO +K2O)
20.	mCO+nH2 CnH2n+1OH	Олий спиртлар	Fe, Fe карбиди промотрлар би-лан
21.	nCO+2nH2 nH2O+CnH2n 2nCO+nH2 nCO2+CnH2n CnH2n+H2 CnH2n+2	Синтин (синтетик бензин), синтол, ва ювиш восита-лари олиш учун углеводородлар	Co+ThO2+MgO, Fe+Cu промотр-лар билан; Fe; Co; Cr2O3+ZnO
22.	(CH2OCOR)2CHOCOR+3H2  (CH2OCOR1)2CHOCOR1 (Радикаллар: R-тўйинмаган С17H33 типида; R1-тўйинган С17H35 типида)	Қаттиқ ёғлар	Ni, Ni-Al
23.	Тошкўмир (~4% H2) Суюқ угле-водородлар (12-17%)	Мотор ёнилғилари	Fe, Mo ва W сульфидлари ва оксидлари
24.	CO CH4+H2O	Газларни тозалаш	Ni+Cr2O3
25.	CH2=CH2 CH3 – CH3	Газларни тўйин-маган углеводо- родлардан тоза-лаш	Pt, Ni
26.	Cl2+CH4+1,5O2 2HCl+CO2+H2O	Газларни хлордан тозалаш	Cr2O3
27.	NO2+CH4+O2 N2+CO2+2H2O	Газларни азот ок-сидларидан тоза-лаш	Pd
28.	RSH RH+H2S	Нефт маҳсулот-ларини олтингу-гурт бирикмала-ридан тозалаш	Co ва Mo оксид-лари ва суль-фидлари
29.	C6H6 C6H12	Ароматик угле-водородларни гидрирлаш	Ni, Co, Pd, Pt
30.	C6H5NO2 C6H5NH2 (буғ фазада)	анилин	Ni

Асосий органик ва нефтекимёвий синтези ҳамда нефтгазни қайта ишлашдаги энг аҳамиятли кислота – асосли (гетеролитик) каталитик реакциялар.

Ушбу гетеролитик реакцияларга қуйидагилар киради:
1. Гидратация
2. Спиртларни дегидратацияси
3. Гидролиз
4. Полимеризация
5. Углеводородларни крекинги
6. Изомеризация
7. Углеводородларни алкиллаш

Улар ҳақидаги баъзи маълумотларни қуйида жадвал ҳолида келтирамиз

N	Реакция схемаси	Мақсадий маҳсулот	Энг аҳамиятли қаттиқ катализаторлар
1	2	3	4
1. Гидратация
1.	CH2=CH2+H2O C2H5OH	Этил спирти	Ёювчилардаги H3PO4, кремний-вольфрам кисло-таси
2.	CH CH+H2O CH3CHO	Ацетальдегид	HgSO4 (суюқлик-даги фаза), Ca ва Cd фосфатлари (газ фазада син-тез)
3.	2CH CH+3H2O CH3–CO–CH3 + CO2+2H2	Ацетон	Кўмирдаги ZnO (газ фазада син-тез)
2. Спиртларни дегидратацияси
4.	2C2H5OH H2O+C2H5OC2H5	Диэтил эфири	Алюмосиликат; Al2O3; ThO2.
3. Гидролиз
5.	C6H5Cl+H2O HCl+C6H5OH	Фенол	Al2O3; ёувчидаги H3PO4
4. Полимеризация
6.	nC2H4 [C2H4]n	Полиэтилен	TiCl4+AlR3 (Циг-лер-Натт реак-цияси)
7.	nC4H5CH3 [C4H5CH3]n	Изопрен каучук	TiCl4+Al(C2H5)3 (Циглер-Натт реакцияси)
8.	nC4H6 [C4H6]n	Бутадиен каучук	Na; TiCl4+AlR3 (Циглер-Натт реакцияси)
9.	n(CH3)2C=CH2 [C4H8]n	Полиизобутилен	AlCl3; BF3
5. Углеводородлар крекинги
10.	C15-C20-углеводородлар C6-C12- углеводородлар	Мотор ёнилғилари	Аморф ва криста-лик алюмосили-катлар
6. Изомеризация
11.	Бутан Изобутан	Изобутан	алюмосиликатлар, AlCl3; фосфатлар.
7. Углеводородларни алкиллаш
12.	C6H6+CH2=CH – CH3  C6H5–C3H7	Фенол ишлаб чи-қариш учун ку-мол	Ёювчидаги H3PO4

Полифункционал катализатордаги мураккаб жарёнлар

Бир вақтнинг ўзида икки ва ундан ортиқ реакцияларни амалга оширадиган катализаторлар ва жараёнлар ҳам мавжуд бўлиб, буларга риформинг, гидрокрекинг, каталитик крекинг, гидротозалаш ва бошқаларни мисол қилиб келтириш мумкин. Қуйида уларнинг айримлари ҳақида маълумот келтирамиз.

N	Реакция схемаси	Мақсадий маҳсулотлар	Энг аҳамиятли қаттиқ катализаторлар
1.	Риформинг	Юқори октанли бен-зин, ароматик угле-водородлар	Фторланган Al2O3 даги Pt; Al2O3 даги молиб-ден оксиди; Al2O3 даги Cr2O3
2.	Гидрокрекинг	Дизель ёнилғиси ва бензин	Цеолитдаги Pt, Ni; Al2O3 даги кобальт мо-либден; Al2O3 даги никельмолибден
3.	2C2H5OH H2O+ CH2=CH-CH=CH2+H2	Бутадиен	ZnO, Al2O3, MgO ва бошқа оксидларни ара-лашмаси

Нефтдаги қайта ишлашда ва нефт кимёсида катализатор ва каталитик жараёнларнинг аҳамиятини қайта баҳолаш имконияти йўқ.
Ҳудди шуларнинг замонавий инсонлар жамиятининг энг аҳамиятли областларда эҳтиёжини таъминлаш базасидир. Одатда, турли нефт конларининг нефти одатда бензинга мос келувчи 5 дан 20% гача фракциси мавжуддир.
Бензинга бўлган эҳтиёж замонавий автомобиль ва авиатранспортларни ривожида улкандир. Шу билан бирга нефтдан бевосита ҳайдаб олинган мотр ёнилғиларини сифати қуйидир. Каталитик крекинг ва риформингни қайта ишлашнинг бошқа замонавий усуллари билан бирга олиб борилиши юқори октанли бензинни чиқишини 75% гача (нефт оғирлигига нисбатан) оширишга имкон беради. Мотор ёнилғилари тошкўмирни металл катализаторлар қўллаш орқали каталитик гидрирлаш билан ҳам олинади.
Углеводородларни металл ва оксид ҳолдаги катализаторлар ёрдамида кейинги каталитик қайта ишлаш орқали ҳалқ таъминоти учун керак бўлган предметларни ишлаб чиқариш учун лозим бўлган яриммаҳсулотларни олишга имкон беради. Мономерларнинг кўп қисми ва нефт, кўмир, сланец, табиий газ ҳамда нефт маҳсулотларидан олинган полимерлардан углеводородлар ва улар ҳосилаларини қайта ишлаш каталитик жараёнлари маҳсулотларидир.
Шу билан бирга, сульфат кислота, аммиак ва нитрат кислота ишлаб чиқариш мос ҳолдаги катализаторларни (жадвалга қаранг) синтез қилиш ва уларнинг қўлланилиши услубларини ишлаб чиқиш орқали мумкин бўлиб қолди. Мос реакцияларни миллионлар марта тезлатиб, аммиак, нитрат ва сульфат кислоталарини саноат миқёсида ишлаб чиқариш имкониятларини таъминлайди.
Аммиак синтези ва органик бирикмаларини гидрирлаш жараёнлари учун керак бўлган водородни анчагина миқдори табиий газни (асосан метанни) сув буғи билан конверсиялаб олинади. Ушбу жараённи биринчи босқичи – синтез-газни олиш никелли катализаторда амалга оширилади ва у водород ҳамда углерод монооксидидан иборат бўлади. Иккинчи босқич – углерод монооксидини сув буғи билан конверсиялаш темир ва хром оксидларида амалга оширилади. Жадвал маълумотларида қуйироқда янги – мис оксидлари ва мис шпинеллари сақловчи катализатор ҳақида ҳам гапирилиб, у темир – хромлига нисбатан фаолроқ бўлиб, CO ни сув буғи билан конверсиясида тўлароқ фойдаланишини белгилайди.
Синтез – газ (mCO+nH₂) – метанни рух-хромли катализаторларда конверсиялаб олинади. Синтетик бензин, синтол ва ювиш воситалари эса темир, кобальт, никель ва бошқа мураккаб катализаторлар иштирокида, мураккаб эфирларни эса промоторланган темир катализаторларда олинади.
Турли катализаторлар қўллаб ва технологик режим параметрларини созлаб бир ва ўша хом ашёдан турли хосаларга эга бўлган турли-туман маҳсулотлар олинади.
Катализаторларни танлаб таъсир этишига ёрқин мисол қилиб этиленни оксидлаш ва ацетиленни гидратациясини кўрсатиш мумкин.
Этиленни кумуш катализатори иштирокида оксидланганда этилен оксиди олинади, этиленни палладий катализаторида оксидлаш маҳсулоти эса ацетальдегиддир. Ацетальдегид ацетиленни катализатор сифатида HgSO₄ қўллаб гидратация қилиб ҳам олинади, бироқ дегидрирловчи ZnO катализатори (углеродли ёювчидаги) ни гидратация режими параметрларини ўзгартириб, ацетилендан ацетон ишлаб чиқарадилар.
Кўп компонентли полифункционал катализаторларни қўллаш катта бир вақтнинг ўзида лозим бўлган реакцияни тезлаштириш имконини беради. Бундай йирик кўламли жараёнга мисол қилиб бир вақтнинг ўзида этил спиртни дегидрирлаш ва дегидратциялаш орқали бутадиенни олишни кўрсатиш мумкин (жадвалга қаранг). Ушбу жараён проф. Лебедев С.В. ўз ҳодимлари билан яратган бўлиб, ХХ аср бошида илм ва фаннинг тантанаси дейиш мумкин. 1930 йили спиртдан синтетик каучук олиш тажриба заводи қурилди (Санкт-Петербургда). 1932 йилда йирик масштабли синтетик каучук ишлаб чиқариш корхонаси ишлац бошлади. Аналогик ишлаб чиқариш Германияда 1936 йилда, АҚШ да эса – фақат 1942 йили ўзлаштирилди.
Бошқа мураккаб каталитик жараён – риформинг ўтган асрнинг 50-йилларидан бошлаб саноатда кенг қўлланила бошлади. Бироқ, риформингда олиб бориладиган асосий реакциялар олимлар – Молдавский Б. А. ва Камушер Г. Д., Казанский Б. А. ва Плате А. Ф. томонидан 1936 йилиёқ очилган эди.
Полимеризация жараёнлари асосан катализаторлар ёки инициаторлар таъсирида амалга ошади. Сўнгги йилларда ишлаб чиқилган полимеризация жараёнининг стереоспецифик катализаторлари нафақат реакцияни қўзғатади ва тезлатади, уни маълум таркибли ҳаттоки маълум тузилишга эга маҳсулотни олиш йўли бўйича йўналтиради. Масалан, бутадиенни полимерлаш қаттиқ стереоспецифик катализаторларини қўллаш кўтаринки мустаҳкамликка эгп бўлган каучук олишга имкон берди. Бундай каучукдан тайёрланган автомобиль ғилдираклари эски услубга олинганларига нисбатан 2,5 марта узоқроқ ҳизмат қилиши мумкин.
Технологик ва чиқиб кетувчи газларни тозалашда катализаторларни қўллаш ўсиб бормоқда. Шу билан бирга (жадвалга қаранг) зарарли компонентлар зарарсиз компонентларга айланаяпти ёки газлар аралашмасидан осон ажралувчи моддаларга ўтаяпти. Чиқиб кетаётган газларни ёки ҳавони органик қўшимчалардан палладийли, платинали катализаторларда СО₂ ва сув буғлари олиш билан ёқиш айниқса кенг қўлланилади.
Юқорида келтирилган мисоллар саноатда қўлланиладиган катализаторларнинг катта бўлмаган бир қисмидир, ҳолос. Сўнгги йилларда янгидан ишлаб чиқаришга жорий қилинаётган кимёвий жараёнларнинг 90% дан кўпроғи энг зарурий босқич сифатида каталитик жараёнларни ўз ичига олади.