OCENA MOŻLIWOŚCI RECYKLINGU KATALIZATORA WĘGIEL AKTYWNY-Pd

Transkrypt

1 Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2006) LIDIA DĄBEK Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, Kielce ANDRZEJ ŚWIĄTKOWSKI, JERZY DZIADUSZEK Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii, Chemii i Fizyki Technicznej, ul. Kaliskiego 2, Warszawa OCENA MOŻLIWOŚCI RECYKLINGU KATALIZATORA WĘGIEL AKTYWNY-Pd Przedstawiono wyniki badań nad regeneracją zużytego katalizatora węgiel aktywny-pd, wykorzystywanego w reakcjach redukcji wodorem związków organicznych. Zużyty katalizator poddano odpowiednio utlenianiu za pomocą 7,5 H 2 O 2, a w drugim przypadku wygrzewaniu w próżni (2 godz. w temp. 472 K oraz 2 godz. w temp. 673 K). Następnie obie próbki katalizatora zostały poddane redukcji H 2 w temp. 413 K. Zregenerowane katalizatory zastosowano w testowej reakcji uwodornienia oktanoilobenzenu i porównano ich aktywność z wynikami uzyskanymi dla katalizatora handlowego. W celu określenia zmian, występujących podczas procesów regeneracji, w stanie palladu obecnego na powierzchni katalizatora Pd/AC wykorzystano metody XPS i XRD. SŁOWA KLUCZOWE: katalizator palladowy, węgiel aktywny, reakcja uwodornienia, regeneracja WSTĘP Naturalną konsekwencją zastosowania węgli aktywnych jest to, że po wykorzystaniu stają się odpadem, który musi być odpowiednio zagospodarowany. W myśl aktualnie obowiązującej w Polsce Ustawy o odpadach oraz Rozporządzenia Ministra Środowiska w sprawie katalogu odpadów [1, 2] zużyte węglowe sorbenty i katalizatory zgodnie z załącznikiem nr 1 ustawy można zaklasyfikować do grupy: - Q9 - do której zalicza się węgle aktywne wykorzystywane w procesach usuwania zanieczyszczeń ze strumieni gazów, w uzdatnianiu wody, oczyszczaniu innych roztworów, - Q6 - w skład której wchodzą zużyte katalizatory, - Q7 - w której znajdują się substancje niespełniające już należycie swojej funkcji. Wśród tej grupy odpadów należy zwrócić uwagę na te, które zawierają w swoim składzie związki organiczne oraz substancje nieorganiczne, w tym metale ciężkie, zaliczane są do odpadów niebezpiecznych znajdujących się na liście B załącznika nr 2 ustawy, ponieważ zawierają składniki wymienione w załączniku nr 3 (np.: C3, C6, C7, C10, C16, C34, C39, C40) oraz posiadają właściwości ekotok-

2 392 L. Dąbek, A. Świątkowski, J. Dziaduszek syczne (H14 zgodnie z załącznikiem nr 4 ustawy), tzn. stanowią lub mogą stanowić bezpośrednie lub opóźnione zagrożenie dla jednego lub więcej elementów środowiska. Zgodnie z art. 7 (Rozdz. 2) ustawy o odpadach, każdy posiadacz odpadów zobowiązany jest do postępowania z nimi zgodnie z zasadami gospodarki odpadami, a to oznacza, że w pierwszej kolejności powinny być one poddane odzyskowi, a dopiero w ostateczności unieszkodliwianiu, a postępowanie to powinno mieć miejsce tam, gdzie te odpady powstają. Oznacza to, że zużyte węglowe sorbenty i katalizatory powinny być poddawane recyklingowi. Przykładem odpadów zawierających w swoim składzie węgiel aktywny, które powinny być poddawane recyklingowi, jest katalizator węgiel aktywny-pd (Pd/AC), wykorzystywany w skali przemysłowej w reakcjach uwodornienia wiązań wielokrotnych przebiegających z rozerwaniem wiązania węgiel-tlen, węgiel- -azot oraz reakcjach redukcji np.: freonu CFC-12 (CCl 2 F 2 ). Dotychczas problem regeneracji zużytego katalizatora Pd/AC nie był przedmiotem szczegółowych rozważań i brak jest danych literaturowych w tym zakresie. Jedną z przyczyn dezaktywacji katalizatora jest częściowe lub całkowite pokrycie palladu osadzonego na powierzchni nośnika węglowego węglem pochodzącym z powierzchniowej dekompozycji węglowodorów biorących udział w reakcji i/lub węglem z nośnika węglowego oraz wbudowywaniem się tego węgla w luki oktaedryczne sieci krystalicznej palladu [3]. Wobec powyższego autorzy prezentowanej pracy podjęli badania nad regeneracją zużytego katalizatora Pd/AC, wykorzystując różne metody usuwania frakcji organicznej zalegającej na powierzchni nośnika węglowego. Wśród dotychczas stosowanych metod rozważono ekstrakcję rozpuszczalnikami, takimi jak: etanol, aceton, benzen w obecności ultradźwięków oraz ekstrakcję rozpuszczalnikami w stanie nadkrytycznym (CO 2, CO 2 -etanol, etanpropan) [4-6]. Z badań tych wynika, że metodą zapewniającą najskuteczniejsze usunięcie substancji organicznych z powierzchni katalizatora jest ekstrakcja CO 2 w stanie nadkrytycznym. Jakakolwiek modyfikacja ekstrahenta powoduje, że staje się on bardziej selektywnym, co w przypadku różnorodności związków organicznych obecnych na powierzchni katalizatora zmniejsza wydajność regeneracji. Należy jednak podkreślić, że warunkiem pełnej regeneracji katalizatora jest przeprowadzenie dodatkowo procesu redukcji wodorem. Poszukując alternatywnej, nieselektywnej metody usuwania związków organicznych z powierzchni zużytego katalizatora, przeanalizowano dwie metody odmienne w stosunku do wcześniej stosowanych. Pierwsza polegała na utlenieniu zanieczyszczeń nadtlenkiem wodoru, a druga na wygrzewaniu katalizatora w próżni. 1. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Obiektem badań był katalizator Pd/AC zużyty w reakcjach uwodornienia m.in. heskanoilobenzenu, 4-heksanoilobifenylu, 4-propylonitrobenzenu, 4-heksylo-4 - okty- lobifenylu, 4-[(4-transpropylocykloheksylo)-1-fenylo]cykloheksenu-1, 4-

3 Ocena możliwości recyklingu katalizatora węgiel aktywny-pd 393 pentyloksynitrobenzenu, 1-[(4-trans-pentylocykloheksylo)-2-benzyloksyfenylo]-1- etanolu. Jako materiał odniesienia stosowano świeży handlowy katalizator Pd/AC firmy Aldrich (o zawartości palladu 10). Zużyty katalizator węgiel aktywny-pd, wykorzystywany w reakcjach redukcji wodorem różnych związków organicznych, poddano odpowiednio utlenianiu za pomocą 7,5 H 2 O 2 przez 2 godz. w temp. 285 K (następnie wygrzewano w próżni przez 2 godz. w temp. 473 K), zaś w drugim przypadku wygrzewaniu w próżni (2 godz. w temp. 473 K, 10 1 Pa, a następnie 2 godz. w temp. 673 K, 10 2 Pa). Następnie katalizatory te zostały poddane redukcji H 2 przez 3 godz. w temp. 413 K. Drogę prowadzącą do otrzymania poszczególnych preparatów pokazano schematycznie na rysunku 1. CC SC SC/OxHP SC/OxHP/H SC/HTV SC/HTV/H Rys. 1. Schemat przebiegu procesów regeneracji katalizatora Pd/AC. Objaśnienia symboli: CC - katalizator handlowy (commercial catalyst), SC - katalizator zużyty (spent catalyst), SC/OxHP/H - katalizator zużyty poddany utlenianiu nadtlenkiem wodoru i następnie wygrzewaniu w wodorze (spent catalyst subjected to oxidation with hydrogen peroxide and next heating in hydrogen), SC/HTV/H - katalizator zużyty poddany wygrzewaniu w próżni i następnie wygrzewaniu w wodorze (spent catalyst subjected to heating in vacuum and next heating in hydrogen) Zregenerowane katalizatory zastosowano w reakcji uwodornienia oktanoilobenzenu i porównano ich aktywność z wynikami uzyskanymi dla katalizatora handlowego. Stosowano następujące warunki: Do mieszaniny 51 g (0,25 mola) ketonu oraz 2 g odpowiedniego (świeżego lub regenerowanego) katalizatora Pd/AC dodawano 50 cm 3 kwasu octowego i 5 cm 3 kwasu trójfluorooctowego. Następnie do powstałej zawiesiny, mieszając, wprowadzano wodór jako reduktor. Reakcję rozpoczynano w temperaturze pokojowej. Aktywność katalizatora oceniono na podstawie pomiaru zużycia wodoru w stosunku do wartości teoretycznej niezbędnej w tej reakcji (stechiometrycznej) oraz czasu reakcji. Szczegółowe dane przebiegu i efektów końcowych reakcji testowej dla zregenerowanych katalizatorów przedstawiono w tabeli 1. W celu określenia zmian w stanie palladu obecnego na powierzchni katalizatora Pd/AC występujących podczas procesów regeneracji wykorzystano metody XPS i XRD.

4 394 L. Dąbek, A. Świątkowski, J. Dziaduszek TABELA 1. Przebieg reakcji redukcji oktanoilobenzenu wodorem w obecności świeżego oraz zregenerowanych katalizatorów Katalizator Ilość przereagowanego H 2, dm 3 Czas min Temperatura K Stopień przereagowania, CC (handlowy) 11, ,5 SC/OxHP/H 8,2* SC/HTV/H 10** * gdy układ reakcyjny dodatkowo ogrzano do temp. 323 K, po dalszych 75 min ilość przereagowanego wodoru osiągnęła ostatecznie 8,8 dm 3 (stopień przereagowania 78) ** gdy układ reakcyjny dodatkowo ogrzano do temp. 323 K, po dalszych 120 min ilość przereagowanego wodoru osiągnęła ostatecznie 10,5 dm 3 (stopień przereagowania 93) Widma XPS badanych katalizatorów zarejestrowano za pomocą spektrofotometru ESCALAB-210 firmy VG Scientific przy wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego Al Kα. Następnie widma poddane były standardowej obróbce. Parametry opisujące piki zarejestrowanych widm XPS dla próbek katalizatorów CC, SC/OxHP/H i SC/HTV/H zestawiono w tabeli 2. TABELA 2. Parametry pików widm XPS w regionie Pd 3d 5/2 zarejestrowanych dla próbek katalizatora Pd/AC BE ev CC SC/OxHP/H SC/HTV/H Area FWHM BE ev Area FWHM BE ev Area FWHM 335,78 80,2 1,93 335,53 81,8 1,84 335,51 81,9 1,82 338,06 19,8 2,10 337,57 18,2 2,30 337,29 18,1 2,49 Rys. 2. Widma XRD katalizatora Pd-węgiel aktywny: 1 - SC/OxHP/H, 2 - SC/HTV/H, 3 - SC/SFE/H

5 Ocena możliwości recyklingu katalizatora węgiel aktywny-pd 395 Analiza XRD badanych katalizatorów wykonana została z wykorzystaniem dyfraktometru Siemens D500 (promieniowanie CuKα (λ = 0,15418 nm). Zarejestrowane widma dla katalizatorów SC/OxHP/H i SC/HTV/H przedstawiono na rysunku 2. Dla celów porównawczych na rysunku tym przytoczono pochodzące z pracy wcześniejszej widmo XRD zarejestrowane dla zużytego katalizatora Pd/AC regenerowanego CO 2 w stanie nadkrytycznym SC/SFE/H. Był to, jak dotąd, najefektywniejszy sposób regeneracji. 2. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ W jednej z naszych wcześniejszych prac [5] nad regeneracją zużytego katalizatora Pd/AC (SC) poddano go działaniu CO 2 w stanie nadkrytycznym, a następnie redukcji wodorem. Wykazano, że tak zregenerowany katalizator w reakcji redukcji oktanoilobenzenu charakteryzuje się aktywnością katalityczną praktycznie porównywalną z aktywnością świeżego katalizatora CC. Wskazuje na to zarówno podobne zużycie wodoru, jak i brak produktów ubocznych reakcji. Analiza XPS katalizatora świeżego CC i zregenerowanego SC/SFE/H wykazała, że zaproponowana procedura regeneracji prowadzi do odtworzenia aktywnych form palladu na powierzchni nośnika węglowego. W przypadku metod regeneracji zastosowanych w niniejszej pracy, tzn. utleniania nadtlenkiem wodoru zanieczyszczeń obecnych na powierzchni zużytego katalizatora Pd/AC (SC) i/lub wygrzewania w próżni (w obu przypadkach wygrzewanych następnie w wodorze), skuteczność regeneracji okazała się mniejsza niż po ekstrakcji CO 2 w stanie nadkrytycznym. Stopień przereagowania wynosił odpowiednio 73 i 89 i dla czasu reakcji znacznie dłuższego (ok. 5 godz.) niż dla katalizatora świeżego handlowego (tab. 1). Dodatkowe ogrzewanie układu reakcyjnego po dalszej godzinie czy dwóch nieco poprawiało te wyniki, dając 78 i 93. Zarejestrowane widma XPS dla obu regenerowanych preparatów SC/OxHP/H i SC/HTV/H wykazują znaczne podobieństwo do widma katalizatora świeżego CC, a także regenerowanego CO 2 w stanie nadkrytycznym we wcześniejszej pracy [5]. Stwierdzono obecność dużych krystalitów palladu metalicznego oraz pewnej ilości jego związków na +2 stopniu utlenienia z chlorem i tlenem. Obserwowane podobieństwo parametrów opisujących piki zarejestrowanych widm XPS dla próbek katalizatora CC, SC/OxHP/H i SC/HTV/H wskazuje na dość dobrą skuteczność proponowanych metod regeneracji. Porównanie widm XRD pozwala zaobserwować różnice w widmach SC/OxHP/H i SC/HTV/H odniesionych do SC/SFE/H. Pierwsze z nich wyraźnie różni się od widma dla katalizatora po ekstrakcji nadkrytycznej (najlepiej jak dotąd zregenerowanego), drugie ma przebieg bardzo zbliżony. Jest to zgodne z różnicami w stopniu przereagowania substancji testowej (tab. 1): odpowiednio 73 i 89 (bądź 78 i 93 po dodatkowym ogrzaniu) w stosunku do 99,5. Wspomniana różnica przebiegu to występowanie dla Pd 111, 200 i 220 pików przesuniętych w kierunku niższych wartości 2θ w stosunku do pików dla czystego palladu. Róż-

6 396 L. Dąbek, A. Świątkowski, J. Dziaduszek nice w przebiegu widm XRD są więc dobrym wskaźnikiem stopnia zregenerowania zużytego katalizatora Pd-węgiel aktywny. Widmo XRD dla próbki katalizatora SC/OxHP/H (rys. 2) można zinterpretować jako wskazujące na obecność atomów węgla w sieci krystalicznej palladu [7]. PODSUMOWANIE Zastosowane w pracy metody regeneracji wprawdzie w 100 nie przywracają zużytemu katalizatorowi jego aktywności, ale stopnie przereagowania substancji testowej osiągały wartości 73 i 89. Są to lepsze wartości od osiąganych w przypadku stosowania innych metod opisanych w pracach wcześniejszych. Szczególnie dotyczy to próbki wygrzewanej w próżni. Taki sposób traktowania zanieczyszczeń na powierzchni zużytego katalizatora nie preferuje żadnego ich rodzaju - np. polarnych czy niepolarnych (podobnie jak regeneracja CO 2 w stanie nadkrytycznym). Jest to korzystne ze względu na dużą różnorodność zanieczyszczeń pochodzących z różnych reakcji redukcji, w których używany jest katalizator. Praca wykonana w ramach projektu badawczego nr 4 T09B finansowanego przez KBN. LITERATURA [1] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach, DzU 2001 Nr 62, poz. 628 z późn. zm. [2] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 r. w sprawie katalogu odpadów, DzU 2001 Nr 112, poz z późn. zm. [3] Krishnankutty N., Lin J., Vannice M.A., The effect of Pd precursor and pretreatment on the adsorption and absorption behaviour of supported Pd catalysts, Appl. Catal. A, 1998, 173, [4] Dąbek L., Świątkowski A., Dziaduszek J., Studies on the utilisation of spent palladium-activated carbon (Pd/AC) catalysts, Ads. Sci. Technol. 2002, 20, [5] Dąbek L., Świątkowski A., Dziaduszek J., Removal of adsorbed organic impurities from surface of spent catalysts Pd/activated carbons, Adsorption 2005, 11, [6] Dąbek L., Świątkowski A., Dziaduszek J., Zastosowanie ekstrakcji płynami w stanie nadkrytycznym do regeneracji zużytego katalizatora Pd-węgiel aktywny, II Kongres Inżynierii Środowiska, materiały, tom 2, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2005, vol. 33, [7] Kaszkur Z., Stachurski J., Pielaszek J., X-ray diffraction study of the palladium-carbon system, J. Phys. Chem. Solids 1986, 47, 8, ASSESSING THE POSSIBILITIES OF RECYKLING AN ACTIVE CARBON-Pd CATALYST The regeneration of a spent active carbon-pd catalyst used to reduce organic compounds with hydrogen was studied. Spent catalyst samples were first oxidised in two ways: by reaction with 7.5 hydrogen peroxide, or by heating in vacuum (2 hr at 472 K, then 2 hr at 673 K). Next, the oxidation products were then reduced with H 2

7 Ocena możliwości recyklingu katalizatora węgiel aktywny-pd 397 at 413 K. The catalyst samples thus regenerated were then used in a test reaction - the hydrogenation of octanoylbenzene - and their activities compared with the results obtained with a commercial catalyst. XPS and XRD techniques were applied to assess the changes taking place during regeneration in the state of the palladium present on the surface of the Pd/AC catalyst. KEYWORDS: Pd catalyst, active carbon, hydrogenation, regeneration