Окисление пироконденсата и некоторых его непредельных компонентов пероксидом водорода в присутствии полиоксовольфрамата, модифицированного катионами церия
- Authors: Алимарданов Х.1, Гарибов Н.1, Мусаева Э.1, Дадашова Н.1
-
Affiliations:
- Институт нефтехимических процессов им. Ю.Г. Мамедалиева МНО Азербайджана
- Issue: Vol 64, No 1 (2024)
- Pages: 55-63
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0028-2421/article/view/261206
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0028242124010042
- EDN: https://elibrary.ru/OIWOZU
- ID: 261206
Cite item
Full Text
Abstract
Приведены результаты жидкофазного каталитического окисления фракции пироконденсата, выкипающего при 130–190℃, полученного от этиленовых установок различной мощности пероксидом водорода. В качестве катализатора использованы РЗЭ (церий, лантан) содержащие полиоксовольфраматы, нанесенные на микроструктуированный углеродный материал. Показана возможность использования полученного оксигената как противодымной присадки в составе дизельного топлива. С целью изучения и идентификации состава оксигената рассматриваются результаты окисления индивидуальных непредельных углеводородов, входящих в состав данной фракции (стирола, α-метилстирола, 4-метилстирола, дициклопентадиена) в условиях, принятых за стандартные (температура 70–80℃, продолжительность 7 ч, мольное соотношение субстрат : H2O2 = 1 : (1–2)). По данным ГХ, ГХ-МС, ИК-спектроскопии и иодометрического анализов, конверсия непредельных углеводородов при окислении фракции достигает 95–99%. Установлено, что основными продуктами реакции окисления стирола и его метилпроизводных являются соответствующие эпоксиды, диолы и альдегиды; при окислении дициклопентадиена образуются моно- и диэпоксиды, полиолы и продукты окислительной олигомеризации. Оксигенатная фракция испытана в качестве противодымной присадки к дизельному топливу. Добавление ее в количестве 0.25–0.5 мас. % согласно ГОСТ 21393-75 способствует снижению расхода топлива на 1.5–1.7 мас. %, а задымления – 10–15 мас. % относительно исходной базы. Углеводородная фракция, выкипающая при 80–170°С, выделенная после перегонки при атмосферном давлении, состоит преимущественно из ароматических углеводородов С7–С10. Приведены сравнительные характеристики полученного оксигената с присадками «Цетан-плюс SMT-2» и «Цетан-корректор BBF».
Full Text
Пироконденсат как жидкий продукт процесса пиролиза прямогонного бензина с целью получения этилена состоит в основном из ароматических и конденсированных непредельных углеводородов (УВ) [1–4]. Квалифицированная переработка этого сырья – одно из важных направлений современной нефтехимии.
В частности, жидкие продукты пиролиза, выкипающие при 130–190°С, используются для выделения С5-, С9-, бензол–толуол–ксилольной (БТК) или бензол–толуольной (БТ) фракций. С5- и С9-фракции применяются в производстве светлых нефтеполимерных смол [1]. Во фракции С9 содержится значительное количество алкенилароматических УВ и дициклопентадиена, из которого они выделяются.
В литературных источниках окисление фракции пироконденсата рассмотрено недостаточно и носит эпизодический характер. Однако имеется достаточное количество работ по окислению индивидуальных УВ, входящих в его состав [5–11]. В данных работах приведены результаты процесса окисления стирола и его метилпроизводных с участием кислорода воздуха или пероксида водорода в присутствии гомогенных каталитических систем на основе соединений металлов V–VII групп, проявляющих высокую каталитическую активность и селективность. Однако производительность их невысока. Выделение и повторное использование данных каталитических систем является трудоемким процессом, что приводит к усложнению технологической схемы процесса [12–17].
В описываемых источниках окисление алкенилароматических УВ осуществляется в основном кислородом воздуха. При указанных условиях реакция окисления с участием молекулярного кислорода протекает неселективно и сопровождается образованием смолистых соединений. Первичный продукт – эпоксид (оксиран) – частично превращается в соединения с карбонильной и карбоксильной группами, что усложняет выделение целевых продуктов, а также аппаратурное оформление процесса [18–21].
Цель данной работы – изучение реакции жидкофазного окисления фракции пироконденсата с температурой кипения 130–190°С, а также индивидуальных непредельных УВ, входящих в ее состав, с участием пероксида водорода как окислителя и катализатора на основе полиоксовольфрамата, модифицированного катионами церия (или лантана), нанесенного на микроструктурированный углеродный материал (МУМ), и возможности использования полученного оксигената в качестве присадки, снижающей дымность при сгорании дизельного топлива.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Катализаторы окисления стирола, его метилпроизводных, дициклопентадиена, а также фракции пироконденсата, с температурой кипения 130–190°С готовили смешиванием и кипячением в течение 2 ч водных растворов (NH4)10W12O41, Ce(NO3)3 [или La(NO3)3] (99.9%, Sigma-Aldrich, Германия), 85%-ного раствора H3PO4 и микроструктурированного углеродного материала с последующим выпариванием раствора, сушкой твердого остатка при 100–120°С и термообработкой при 180–200°С в течение 4 ч [11]. Микроструктурированный углеродный материал получен путем перемешивания при 75–76°С избыточного количества CCl4 со стружкой металлического алюминия [21]. Реакцию проводили до полного израсходования алюминия в течение 3–4 ч. Полученный углеродный материал выделяли из смеси фильтрацией, осадок промывали CCl4, сушили в токе азота при 180–200°С и подвергали термообработке при 200–250°С до полного прекращения выделения НCl и сублимации AlCl3.
Окисление свежеперегнанных под вакуумом непредельных УВ [стирола, α- и 4-метилстирола или дициклопентадиена] (все реактивы Alfa Aesar, степень чистоты 99%) и фракции пироконденсата, выкипающей при 130–190°С, проводили в жидкой фазе при атмосферном давлении в лабораторной установке со стеклянным реактором, снабженным системой для подачи окислителя – 35%-ного водного раствора Н2О2. В реактор одновременно загружали субстрат (0.1 моль), катализатор и толуол (20 мл, в качестве растворителя) и перемешиванием при 50°С вводили дозированное количество окислителя (0.2 моль) в течение 50–60 мин. Скорость перемешивания 600–700 об./мин. При окислении стирола, 4-метилстирола и дициклопентандиена с целью снижения скорости оксиолигомеризации субстрата использовали α-нафтол.
Окисление сопровождается повышением температуры до 70–75°С. Продолжительность реакции 6–7 ч. Контроль за расходом Н2О2 осуществляли перманганатометрическим методом. Состав исходной и возвратной фракций пироконденсата, с температурой кипения 130–190°С, определяли по данным газохроматографического анализа на хроматографе Auto-System-XL фирмы Perkin-Elmer (капиллярная колонка 100 м ´ 0.25 мм со стационарной фазой метилполифенилсилоксан (5 мас. %), газ-носитель – гелий, скорость программированного нагревания колонки в интервале (5–200)°С с программой 10°С/мин (Тинж – 250°С, Тдет – 280°С). Состав продуктов окисления УВ определяли на хроматографе Цвет-500 с ПИД (колонка 2000 × 3 мм, фаза полиэтиленгликольсукцинат (ПЭГС) на хромосорбе – 5 мас. %), газ-носитель – гелий (Ткол – 160°С, Тисп – 280°С). Реакционную способность индивидуальных субстратов определяли по сумме продуктов окисления. Газохромато-масс-спектрометрические исследования (ГХ-МС) проводили на приборе GC37890А-MSD 5975С (Agilent Technologies, США) – колонка HP5-MS, температурный режим от 40 до 280°С с программированным нагревом со средней скоростью 5–6°С/мин с учетом выхода молекулярных пик и радикалов, газ-носитель – гелий, ионизация электронами (70 эВ)). ИК-спектры катализаторов и некоторых продуктов окисления регистрировали на ИК-Фурье-спектрометре Alpha (фирмы Bruker, Германия). ЯМР 1Н-спектры выделенных продуктов окисления регистрировали на 300 MHz Фурье-спектрометре фирмы Bruker. В качестве растворителя использовали CDCl3.
Испытание оксигената в качестве противодымной присадки проведено согласно нормам и методам измерении по ГОСТ 21393-75.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Состав поверхности синтезированных образцов определяли методами ИК-Фурье-спектроскопии и рентгеновской дифракции. Наличие в ИК-спектрах обоих образцов полос поглощения в областях 1081, 1037, 982, 920, 888 и 775 см−1 показывает образование аниона со структурой Кеггина. Уменьшение интенсивности полосы при 1081 см−1 и появление новых полос при 1065 и 1037 см−1 (рис. 1) указывает на наличие связи между фрагментами РО4 и WO. Введение в состав полиоксовольфрамата (ПОВ) катиона церия (или лантана) приводит к замене одного WO-фрагмента, что способствует нарушению симметрии и появлению новых полос поглощения в области 406, 486, 566, 587, 603, 620 и 775 см–1, характерных для связи О–Се(La)–O. Полосы поглощения при 982, 920, 888 и 871 см–1 относятся к валентным колебаниям фрагментов WO4+ и W=O.
Рис. 1. ИК-Фурье спектры синтезированных Се- (1) и La- (2) содержащих образцов полиоксофосфорвольфрамата (ПОВ).
Перед использованием синтезированной каталитической системы в окислении субстрата ее выдерживали в растворе 35%-ного Н2О2 при соотношении катализатор : Н2О2 = 1 : (100–150). Согласно данным [22, 23], образуется смесь различных оксопероксокомплексов золотисто-желтого цвета. Полосы поглощения в ИК-спектрах при 890, 680, 589, 561 см−1 относятся к валентным колебаниям пероксидной связи W(O–O). ИК-спектры гетерогенизированных образцов также содержат все вышеуказанные полосы поглощения.
Изменение морфологии кристаллической структуры синтезированного образца при обработке Н2О2 определено также с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и рентгенофазного анализа (РФА).
По данным СЭМ, размер частиц исходного и обработанного катализатора меняется в пределах 1–3 мкм. На рис. 2 представлены дифрактограммы синтезированных Ce- и La-содержащих образцов ПОВ, согласно которым введение катионов РЗЭ приводит к изменению дифрактограммы исходного ПОВ. Анализ межплоскостных расстояний, рассчитанных из значений 2θ по дифрактограмме, показал наличие в образце фаз СеPO4 и Се[PW12O41] (рис. 3).
Рис. 2. Дифрактограммы Се- (1) и La- (2)-ПОВ-содержащих каталитических систем. Элементный состав катализатора, мас. %: C – 24.58; Ce – 3.55; P – 1.57; W – 56.0; О – 18.3; в атомн. %: C – 53.0; Ce – 0.77; P – 1.56; W – 9.4; О – 35.3.
Рис. 3. Зависимость конверсии 4-метилстирола и селективности по продуктам окисления (в %) от температуры реакции (мольное соотношение 4-метилстирол : Н2О2 = 1 : 2, τ = 7 ч). 1 – конверсия 4-метилстирола; 2 – селективность по метилфенилоксирану, 3 – селективность по 4-метилбензальдегиду; 4 – селективность по 4-метилфенилацетальдегиду; 5 – селективность по метилфенилэтандиолу; 6 – селективность по 4-ме- тилбензойной кислоте.
При окислении стирола пероксидом водорода основными продуктами реакции (по данным хроматографии и ГХ-МС) являются фенилоксиран, бензальдегид, фенилацетальдегид, фенилэтан-1,2-диол, ацетофенон, бензойная кислота и продукты окислительной олигомеризации, образующиеся по маршрутам [11]:
Примечание. В данной схеме маршруты I, III, VI–VIII ответственны за окисление стирола и его метилпроизводных с участием H2O2, маршрут II – за окислительное дигидроксилирование их с участием H2O2, IV – за дегидратацию диола, а маршрут V – за изомеризацию оксиранов в альдегиды.
Полосы поглощения при 1027, 1097 и 3418 см−1 в ИК-спектрах оксидата характеризуют валентные колебания, С–О- и Н–О-связей спирта, а при 828, 898 и 1232 см−1 соответствуют эпокси-группе. Наблюдаются также полосы поглощения при 636, 730, 756 см−1, относящиеся к деформационным колебаниям С–Н-связи бензольного кольца. Кроме того, имеется полоса при 1620 см−1, характерная для С=С-связи бензольного кольца; полоса поглощения при 1703 см−1 соответствует С=О-связи кислоты, а при 1724 см−1 – С=О-связи альдегида. При окислении стирола, 4-метилстирола, дициклопентадиена с целью уменьшения скорости оксиолигомеризации углеводородов использовали α-нафтол (0.005 мас. %).
Результаты реакции жидкофазного окисления стирола с различным мольным соотношением субстрата и окислителя приведены в табл. 1.
Таблица 1. Влияние мольного соотношения стирол : H2O2 на состав оксидата при использовании 35%-ного водного раствора H2O2. Катализатор – CePO4∙СеPW12O41∙nH2O/МУМ – 3 г/л; 70°С; 7 ч; растворитель – толуол; ингибитор – α-нафтол
Мольное соотношение стирол : Н2О2 | Конверсия стирола, % | Состав оксидата, мас. % | |||||
С1 | С2 | С3 | С4 | С5 | С6 | ||
1:0.5 1:1.0 1:1.2 1:1.5 1:2.0 | 25 47 52 69 96 | 46 25 22 18 15 | 16 27 28 32 33 | 19 14 12 13 16 | 12 12 12 8 6 | 1 8 9 13 12 | 6 14 17 16 18 |
Примечание. С1 – фенилоксиран; С2 – бензальдегид; С3 – фенилацетальдегид + ацетофенон; С4 – фенилэтан-1,2-диол; С5 – бензойная кислота; С6 – олигомерные продукты; МУМ – микроструктурированный углеродный материал.
При конверсии стирола 25.0–46.6% селективность по фенилоксирану достигает 25.2–46.3%, а при конверсии 68.7–96% селективность по бензальдегиду и фенилацетальдегиду составляет 45.1–48.3% соответственно.
В случае окисления α-метилстирола первичным продуктом окисления является 1-метил-1-фенилоксиран, который далее превращается в 2-фенилпропаналь и 1-метил-1-фенилэтан-1,2-диол. В катализате также имеется некоторое количество продукта перегруппировки 1-метил-1-фенилоксирана-фенилацетон. В отличие от стирола, при окислении α-метилстирола продукты окислительной олигомеризации практически не наблюдаются.
Состав оксидата при окислении α-метилстирола в зависимости от продолжительности процесса представлен в табл. 2.
Таблица 2. Результаты каталитического окисления α-метилстирола (α-МСт) пероксидом водорода в присутствии церий-полиоксофосфорвольфрамата.
Условия реакции: 70°С, мольное соотношение α-МСт : Н2О2 = 1 : 2, 35%-ного Н2О2, катализатор 10 г/л, растворитель толуол : пропан-2-ол = 1 : 1
Продолжительность, ч | Конверсия, % | Выход, % | ||||
α-МСт | Н2О2 | эпоксида | 2-фенилпропаналя | фенилметилэтандиола | фенилацетона | |
3 5 7 10 5* 7* 10* | 12 32 48 57 35 53 60 | 16 33 53 60 36 55 64 | 5 14 16 14 12 9 9 | 8 13 25 33 16 35 43 | – 3 4 4 3 3 2 | – 2 3 5 4 5 6 |
* Примечание. В этих опытах катализаторы предварительно обработаны пероксидом водорода.
По данным анализа методом ГХ-ПИД, выделенная из оксидата фракция 100–101°С/1.33 кПа (1.008, 1.5092) состоит из 2-фенилпропаналя (95.0%) и 1-фенилпропанона (5.0%) и имеет приятный запах гиацинта. При оптимальных условиях конверсия α-метилстирола составляет 48.4–53.2%, а селективность по 2-фенилпропаналю (гидротроповый альдегид) – 52.7–66.7%. Максимальный выход этих соединений достигается при температуре 70–80°С, продолжительности реакции 7 ч и мольном соотношении α-МСт : Н2О2 = 1 : 2.
Основные продукты реакции окисления 4-метилстирола: 4-метилфенилоксиран, 4-метилбензальдегид (п-толуиловый альдегид), 4-метилацетофенон, 4-метилфенилацетальдегид (п-толилацетальдегид), а также 4-метилбензойная кислота (п-толуиловая кислота). Образование продукта олигомеризации 4-метистирола происходит при более жестких условиях (80–90°С) и не превышает 8.0–11.0%. Максимальный выход 4-метилбензальдегида (29.2–49.0%) достигается при 70–80°С.
Следует отметить тот факт, что наличие в оксидате 4-метилфенилэтандиола, 4-метилацетофенона и 4-метилфенилацетальдегида показывает, что окисление 4-метилстирола, стирола и α-метилстирола протекает по единой схеме, главным образом через стадии образования оксирана, его гидролиза и изомеризации.
Большую роль при окислении 4-метилстирола играет температурный режим процесса. На рис. 3 представлены результаты влияния температуры на окисление субстрата пероксидом водорода и на состав оксидата.
Окисление дициклопентадиена (ДЦПД) при найденных для стирола и его метилпроизводных условиях с участием С1–С2-карбоновых кислот приводит к сложной смеси экзо- и эндоизомеров кислородсодержащих функциональных производных его (эпоксидов, многоатомных спиртов, эпоксиспиртов, оксикетонов и т.д.). Процесс сопровождается олигомеризацией продуктов окисления. Установлено, что каталитическое окисление ДЦПД без участия кислот не протекает. Учитывая это, дальнейшие исследования проводили при условиях, обеспечивающих невысокую степень превращения субстрата (50°С; продолжительность реакции – 4 ч; мольное соотношение ДЦПД : H2O2 = 1 : 1.5; pH среды 1–5) (рис. 4 и 5).
Рис. 4. Зависимость конверсии ДЦПД и селективности по продуктам окисления от продолжительности реакции (Т = 50°С, pH 3.8, мольное соотношение ДЦПД : H2O2 = 1 : 2). 1 – конверсия ДЦПД, 2 – селективность по эпоксидам, 3 – селективность по спиртам, 4 – селективность по продуктам окислительной олигомеризации ДЦПД.
Рис. 5. Зависимость конверсии ДЦПД и селективности по продуктам окисления от величины рH среды (Т = 50°С, τ = 4 ч). 1 – конверсия ДЦПД, 2 – селективность по эпоксидам, 3 – селективность по спиртам, 4 – селективность по продуктам окислительной олигомеризации ДЦПД.
Продуктами реакции являются соответствующие моно- и диэпоксиды, спирты и их моноацетаты (моноформиаты), содержание которых в зависимости от варьирования различных факторов меняется в широком диапазоне. Согласно данным ЯМР 1Н, моноэпоксидирование и окислительное дигидроксилирование ДЦПД протекает преимущественно по двойной связи пятичленного фрагмента. Сопоставление ЯМР 1Н-спектров исходного УВ и выделенного из смеси соответствующего моноэпоксида (Ткип = 104.5–105°С/2.4 кПа, nD20 = = 1.5136, d420 = 1.0998) показывает, что сигналы протонов двойной связи циклопентенового фрагмента (δ = 5.35 м.д.) по сравнению сигналами протонов двойной связи бициклогептенового фрагмента (δ = 5.87 м.д.) сильно уменьшаются и выходят в виде дублета, что соответствует эндо- и экзорасположению протонов при кратной связи (δ = 5.307 м.д. и δ = 5.54 м.д. соответственно). На хроматограмме моноэпоксид ДЦПД выходит в виде двух изомеров: 3,4-эпокситрицикло[5.2.1.02.6]децена-8 (87–90 мас. %) и 8,9-эпокситрицикло[5.2.1.02.6]децена-3 (10–13 мас. %). С повышением температуры в интервале 50–80°С оксирановые фрагменты моно- и диэпоксидов легко раскрываются, происходит их одновременное гидроксилирование и олигомеризация.
При найденных условиях окисления для индивидуальных непредельных УВ была приведена реакция жидкофазного окисления фракции пироконденсата, выкипающей при 130–190°С. Состав оксигената определяли на основе данных ГЖХ и ГХ-МС, полученных для вышеуказанных индивидуальных углеводородов.
Продуктами реакции окисления фракции пироконденсата, выкипающей при 130–190°С, согласно ГХ и ГХ-МС-анализу являются оксираны, моноацетаты соответствующих диолов, ароматические альдегиды. При сравнении ИК-спектров исходного пироконденсата и выделенных оксидатов четко наблюдаются валентные колебания С=О сложноэфирной группы в области 1705 см−1, валентные колебания оксиранового кольца в областях 3084, 3026, 907, 941, 819 см–1. Отсутствие валентных колебаний в областях 1630, 1604 см−1, соответствующих непредельным связям С=С, подтверждает образование кислородных функций с участием этих фрагментов.
Состав исходной фракции пироконденсата, выкипающей при 130–190°С, и возвратной непрореагировавшей смеси УВ представлен в табл. 3. Конверсия непредельных УВ при вышеуказанных условиях составляет 97.4%. Возвратная углеводородная фракция, согласно анализу методом ГХ-ПИД, состоит из 53–79.3 мас. % С6–С10-ароматических УВ. Содержание непредельных соединений при вышеуказанных условиях не превышает 0.7–2.0 мас. %. Йодное число исходной углеводородной фракции составляло 48, а возвратной смеси УВ – 2.0.
Таблица 3. Состав исходной смеси фракции пироконденсата, выкипающей при 130–190°С, и возвратной углеводородной фракции после окисления
Состав исходного сырья | ЭП-60 мас. % | ЭП-300 мас. % | Состав возвратного углеводорода | ЭП-60, мас. % | ЭП-300, мас. % |
Бензол | 3.0 | 0.5 | Бензол | 4.0 | 0.8 |
Толуол | 12.6 | 1.8 | Толуол | 16.8 | 3.0 |
Этилбензол | 4.6 | 3.3 | Этилбензол | 6.1 | 5.4 |
Изомеры ксилола | 16.4 | 16.6 | Изомеры ксилола | 21.9 | 27.0 |
Стирол | 11.7 | 10.3 | Стирол | – | – |
Изомеры триметилбензола | 9.0 | 5.7 | Изомеры триметилбензола | 12.0 | 9.3 |
α-Метилстирол | 6.2 | 7.6 | α-Метилстирол | 0.1 | 0.3 |
Дициклопентадиен | 4.0 | 9.2 | Дициклопентадиен | 0.4 | 0.7 |
Изомеры метилстирола | 3.2 | 5.8 | Изомеры метилстирола | – | – |
Индан | 5.2 | 1.0 | Индан | 6.9 | 1.6 |
Инден | 2.8 | 6.8 | Инден | 0.2 | 1.0 |
Ароматические УВ С10 | 8.4 | 11.0 | Ароматические УВ С10 | 11.2 | 17.8 |
Неидентифицированные соединения | 12.9 | 20.4 | Неидентифицированные соединения | 20.4 | 33.8 |
На хроматограмме оксигената наряду с пиками стирола, его метилпроизводных и дициклопентадиена присутствуют пики не идентифицированных нами соединений. Вероятно, эти соединения образуются при взаимодействии кислосодержащих компонентов оксигенатов между собой.
Полученный оксигенат был испытан в качестве противодымной добавки к дизельному топливу (согласно ГОСТ-21393-75). Для сравнения результатов испытаний в качестве эталона были использованы известные противодымные присадки Цетан-корректор BBF и Цетан-плюс SMT-2. Полученные сравнительные результаты приведены ниже (табл. 4).
Таблица 4. Сравнительные результаты испытаний полученного оксигената в качестве противодымной добавки к дизельному топливу с известными присадками
ПРИСАДКИ | Расход топлива | СО | СН | NOX | Дымность |
Цетан-плюс SMT-2 | −1.7 | 3.2 | −16.3 | −4.6 | −14.5 |
Цетан-корректор BBF | −0.9 | −4.5 | −12.9 | −4.9 | −18.6 |
Оксигенат | −1.7 | 3.2 | −8.9 | −3.2 | −14.1 |
* Где (−) – уменьшение данной величины по сравнению с топливом без добавки.
Результат проведенных испытаний показывает, что добавление оксигената к дизельному топливу в количестве 0.25–0.5 мас. % приводит к уменьшению расхода топлива на 1.5–1.7 мас. % и снижению уровня дымности при горении топлива на 10–15 мас. %. Приведенные данные действия добавки находятся на уровне указанных выше эталонов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Синтезирована каталитическая система CePO4∙Се[PW12O41∙nH2O]/МУМ и проверена ее активность в реакции жидкофазного окисления непредельных углеводородов (стирола, α-метилстирола, 4-метилстирола, дициклопентадиена), а также фракции 130–190°С пироконденсата с участием пероксида водорода.
Установлено, что окисление стирола, α-метилстирола, 4-метистирола и дициклопентадиена в присутствии этой каталитической системы протекает по единой схеме через стадии образования оксирана, его гидролиза и изомеризации. Основными продуктами окисления стирола и 4-метилстирола являются соответствующие эпоксиды, диолы и альдегиды, а при более жестких условиях – кислоты и продукты окислительной олигомеризации. В случае окисления α-метилстирола продукты окислительной олигомеризации практически не образуются, а основными продуктами реакции становятся гидротроповый альдегид и фенилацетон. При окислении дициклопентадиена при низких температурах (40–50°С) основными продуктами реакции являются соответствующие моно- и диэпоксиды. С повышением температуры количество эпоксидов уменьшается, а полиолов и продуктов оксиолигомеризации – увеличивается.
Изучено жидкофазное окисление пироконденсата фракции 130–190°С, выделенной из продуктов пиролиза УВ с целью разработки рекомендаций для использования оксигената в составе топливных композиций.
Полученный оксигенат был испытан в качестве противодымной добавки к дизельному топливу. Установлено, что добавка оксигената в количестве 0.25–0.5 мас. % способствует снижению дымности при горении дизельного топлива на 10–15 мас. % и расхода топлива на 1.5–1.7 мас. % относительно базы.
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Работа выполнена в рамках государственного задания Института нефтехимических процессов им. Ю.Г. Мамедалиева МНО Азербайджана. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и образования Азербайджана.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.
ИНФОРМАЦИЯ О ВКЛАДЕ АВТОРОВ
Авторы Х.М. Алимарданов, Н.И. Гарибов, Э.С. Мусаева принимали участие в разработке и исследовании химико-технологических закономерностей, режимных параметров процесса, а также выборе каталитической системы, Н.Р. Дадашова – в исследовании анализа состава катализаторов, а также продуктов реакции.
About the authors
Хафиз Муталлим Алимарданов
Институт нефтехимических процессов им. Ю.Г. Мамедалиева МНО Азербайджана
Author for correspondence.
Email: hafizalimardanov1@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1392-5603
зав. лаб, д.х.н., чл.-корр. НАНА
Azerbaijan, Баку, Ходжалы 30, АZ 1025Неймат Исмайыл Гарибов
Институт нефтехимических процессов им. Ю.Г. Мамедалиева МНО Азербайджана
Email: hafizalimardanov1@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7366-0718
д.х.н.
Azerbaijan, Баку, Ходжалы 30, АZ 1025Эльнара Сахиб Мусаева
Институт нефтехимических процессов им. Ю.Г. Мамедалиева МНО Азербайджана
Email: hafizalimardanov1@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4373-4760
к.х.н., вед.н.с.
Azerbaijan, Баку, Ходжалы 30, АZ 1025Нармин Расим Дадашова
Институт нефтехимических процессов им. Ю.Г. Мамедалиева МНО Азербайджана
Email: hafizalimardanov1@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8061-0823
к.х.н., вед.н.с.
Azerbaijan, Баку, Ходжалы 30, АZ 1025References
- Бондалетов В.Г., Бондалетова Л.И., Нгуен Ван Тхань. Использование жидких продуктов пиролиза углеводородного сырья в синтезе нефтеполимерных смол // Успехи современного естествознания. 2015. № 1 (часть 7). С. 1130–1133.
- Туркова Т.В., Агаронов В.С., Кузнецов Н.Н., Ермизин В.К., Лахман Л.И., Елин О.Л., Цветков В.В., Чижов В.Б., Довганюк В.Ф. Исследование изменения компонентного состава пироконденсата и его фракций в процессе селективного гидрирования в присутствии катализаторов серии АПКГС // Катализ в промышленности. 2005. № 6. С. 36–41.
- Белай А.В., Кравцов С.М., Курдюков А.М., Хряпин В.Н., Юрин В.П. Пат. РФ № 2215021. Способ переработки пироконденсата высокотемпературного гомогенного пиролиза предельных углеводородов состава C3–C5.
- Садыгов Ф.М., Магеррамова З.Ю., Гаджиев Г.Н., Джахандаров Ш. Дж., Мамедова И.Г. Рациональная переработка пироконденсата – побочного продукта производство этилена // Intern. Scientific and Practic. Conference World Science. 2018. V. 2. № 2 (30). P. 52–55.
- Мусаева Э.С. Каталитическое жидкофазное окисление фракции 130–190°C пироконденсата пероксидом водорода с участием церийсодержащего полиоксовольфрамата // Сумгаит: Научные известия. 2020. Т. 20. № 3. C. 29–31.
- Zhang Xu, Zeng Changfeng, Zhang Lixiong, Xu Nanping. Macro-kinetics of styrene oxidation catalyzed by Co2+-exchanged X // Kinetics and Catalysis. 2009. V. 50. № 2. P. 199–204. https://doi.org/10.1134/S0023158409020098
- Shen Yangyi, Zhu, Mingqiao, Du Jinpei, Yang Yangyang, Tang Yue. Epoxidation of styrene with molecular oxygen on Co3O4/SiO2 catalyst // Advanced Materials Research. 2012. V. 396–398. P. 1699–1702. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.396-398.1699
- Wang Y., Zhang Q.H., Shishido T., K. Takehira. Characterizations of iron-containing MCM-41 and its catalytic properties in epoxidation of styrene with hydrogen peroxide // J. of Catalysis. 2002. V. 209. № 1. P. 186. https://doi.org/10.1006/jcat.2002.3607
- Наджафова М.А., Алимарданов Х.М., Гарибов Н.И., Мусаева Э.С. Исследование радикальной природы тербийполиоксовольфрамата в качестве катализатора эпоксидирования стирола // Нефтепереработка и нефтехимия. 2018. № 4. С. 25–30.
- Алимарданов Х.М., Гарибов Н.И., Наджафова М.А., Мусаева Э.С. Тb- и Pr-содержащие полиоксовольфраматы в качестве катализаторов эпоксидирования стирола пероксидом водорода // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний (Москва). 2019. C. 9–23. doi: 10.32758/2071-5951-2019-0-04-4-9
- Алимарданов Х.М., Велиева Ф.М., Гарибов Н.И., Мусаева Э.С. Кинетические закономерности жидкофазного окисления стирола пероксидом водорода в присутствии полиоксовольфрамата модифицированного катионами церия // Журн. прикл. химии. 2020. Т. 93. Вып. 5. С. 722–734. doi: 10.31857/S004446182005014X [Alimardanov H.M., Veliyeva F.M., Garibov N.I., Musayeva E.S. Kinetic relationships of liquid-phase oxidation of styrene with hydrogen peroxide in the presence of polyoxotungstate modified with cerium cations // Russian J. of Appl. Chemistry. 2020. V. 93. № 5. P. 729–740]. https://doi.org/10.1134/S1070427220050146
- Liu H., Bai J., Wang S., Li C., Guo L., Liang H., Xu T., Sun W., Li H. The preparation of silver nanoparticles/carbon nanofibers as catalyst in the styrene epoxidation // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2014. V. 448. P. 154–159. http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfa.2014.02.024
- Huan Liu, Jie Bai, Chunping Li, Wei Xu, Weiyan Sun, Tong Xu, Yarong Huang, Hongqiang Li. An effective approach to preparing MgO–Ag NPs–CNFs and Al2O3–Ag NPs–CNFs for styrene epoxidation // RSC Advances. 2014. V. 4. P. 3195. https://doi.org/10.1039/C3RA44494E
- Zhang D.H., Li G.D., Li J.X., Chen J.S. One-pot synthesis of Ag–Fe3O4 nanocomposite: a magnetically recyclable and efficient catalyst for epoxidation of styrene // Chemical Communications. 2008. P. 3414–3416. https://doi.org/10.1039/B805737K
- Mukesh Suthar, Avinash K. Srivastava, Raj K. Joshi, Roy P.K. Nanocrystalline cerium-doped Y-type barium hexaferrite; a useful catalyst for selective oxidation of styrene // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2020. V. 31. Iss. 19. P. 16793–16805. https://doi.org/10.1007/s10854-020-04234-5
- Xing Li, Qingtao Wang, Jinghui Lyu, Xiaonian Li. Recent ınvestigation on epoxidation of styrene with hydrogen peroxide by heterogeneous catalysis // Chemistry Select. 2021. V. 6. Iss. 37. P. 9735–9768. https://doi.org/10.1002/slct.202101353
- Wen-Jing Cui, Qing Zhao, Hao-Tian Zhu, Na Hu, Yuan-Yuan Ma, Zhan-Gang Han, Yang-Guang. Keggin-type polyoxometalate-based supramolecular complex for selective oxidation of styrene to benzaldehyde // J. of Coordination Chemistry. 2020. V. 73. Iss. 17–19. P. 2521–2532. https://doi.org/10.1080/00958972.2020.1821881
- Jinhui Tong, Wenyan Li, Lili Bo, Huan Wang, Yusen Hu, Zhixia Zhang, Abdulla Mahboob. Selective oxidation of styrene catalyzed by cerium-doped cobalt ferrite nanocrystals with greatly enhanced catalytic performance // J. of Catalysis. 2016. V. 344. P. 474–481. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2016.10.003
- Alimardanov H.М., Suleymanova E.T., Garibov N.I., Musayeva.E.S. Liquid-phase catalytic oxidation of styrene and its derivatives into oxygen-containing compounds // Processes of Petrochemistry and Oil Refining (PPOR) (Baku). 2022. V. 23. № 3. P. 472–494.
- Zhang Zhang, Li Hui, Liu Yürong, Ye Yühua. Selective oxidation of styrene in ionic liquid and its reaction kinetics // Synthesis and reactivity in inorganic, metal-organic, and nano-metal chemistry. 2009. V. 39. № 3. P. 144–148. https://doi.org/10.1080/15533170902785018
- Алимарданов Х.М., Алиева А.А., Абасов С.И., Аббасов М.Ф., Кулиев А.Д. Влияние иммобилизированных наночастиц углерода на активность цеолитов в окислительном дегидрировании 4-винилциклогексена и этилбензола в стирол // Нефтехимия. 2012. Т. 52. № 2. С. 116–123 [Alimardanov Kh.M., Alieva A.A., Abasov S.I., Abbasov M.F., Kuliev A.D. Effect of immobilized carbon nanoparticles on the activity of zeolites in the oxidative dehydrogenation of 4-vinylcyclohexene and ethylbenzene to styrene // Petrol. Chemistry. 2012. V. 52. № 2. P. 97–104]. https://doi.org/10.1134/S0965544112010021
- Lane Benjamin S., Burgess Kevin. A cheap, catalytic, scalable, and environmentally benign method for alkene epoxidations // J. Am. Chem. Soc. 2001. V. 123. № 12. P. 2933–2937. https://doi.org/10.1021/ja004000a
- Тимофеева М.Н., Пай З.П., Толстиков А.Г., Кустова Г.Н. Эпоксидирование циклоолефинов пероксидом водорода в присутствии гетерополикислот в комбинации с катализатором фазового переноса // Изв. АН России. Сер. хим. 2003. № 2. С. 458–463.
Supplementary files
