Доклад Vision 2020 представляет план революционных преобразований в химической индустрии
В 1996 году был запущен совместный проект крупнейших химических ассоциаций США, в котором представлен 25-летний план развития химической промышленности, получивший название "Тесhnоlоgу Vision 2020: Тhе Сhеmical Industry". В разработке концептуального проекта приняли участие Американское химическое общество (АСS), Ассоциация химических производителей (Chemical Manufacturers Assosiation), Американский институт химических инженеров (American Institute of Chemical Engeeneers"), Совет по химическим исследованиям (ССR) и Ассоциация производителей синтетических органических химикатов.
Для реализации плана были определены как необходимые четыре технические дисциплины, среди них - "новая химическая наука и инженерная технология". Было признано, что развитие химической науки является главным источником прогресса в химической индустрии, а также, поскольку проект разрабатывался американскими исследователями и был направлен на финансирование американским конгрессом, - важнейшим фактором сохранения и повышения конкурентоспособности химической индустрии США. Химический синтез назвали одной из трех привилегированных областей химической науки, которые нуждаются в долгосрочных инвестициях в сферу исследований и разработок.
На совещании группы исследователей был разработан предварительный список важнейших потребностей и задач, которые имеют значение для всех систем катализа. Список оценивался 48 экспертами по катализу, которые представляли промышленность, научные и правительственные учреждения. План, по мнению его создателей, "позволит сохранить жизнеспособность и мировое лидерство химической индустрии США в мировом пространстве".
Сфера исследований в области катализа поделена на две рубрики - "важнейшие области применения" и "перспективные научные области". Помимо данных тем, важная роль отводится вопросам контроля над стабильностью и сроком службы катализаторов; однако радикально новые идеи и подходы к решению этих вопросов связаны с другой научной областью.
Кроме того, важным моментом, связанным с определенными областями применения, должна стать реализация инновационных системных подходов к катализу (например, проектирование новых реакторов, минимизация отходов, сокращение энергопотребленияЭтапы, создание эффективных методов избирательной доставки реагента или выведения продуктов).
Области применения катализа
Самыми важными областями применения катализа, от успехов в которых зависит достижение поставленных целей, названы:
- Избирательное окисление
- Активация алканов
- Минимизация побочных продуктов и отходов
- Избирательный синтез, например, стерео- и региоселективный синтез
- Алкилирование
- Полимеризация олефинов
- Альтернативные и возобновляемые сырьевые материалы
Общим направлением разработки новых технологий в данной сфере должно стать уменьшение энергетических затрат (за счет более высокой избирательности), снижение температуры или давления и сокращение производственного цикла.
Кроме базового списка разработчики предъявили жесткое методологическое требование. "Отсутствие непрерывности в технологическом развитии данных областей, - заявили они, - может нанести чрезвычайный экономический и даже экологический ущерб" - звучит несколько парадоксально и в некоторой степени может объясняться лишь желанием ученых обеспечить непрерывную поддержку разработок со стороны государства, что, впрочем, может пойти только на пользу мировой науке.
Направления развития
Сфера катализа - широкое техническое поле, однако экономическое значение катализа не в стоимости катализаторов как продуктов, а в тех химических реакциях, которые они делают возможными.
Однако химическая индустрия настолько обширна, что, сделав ориентиром только один катализатор/технологический процесс, она не добьется значительных изменений в области сокращения энергопотребления или минимизации отходов. Тогда как более масштабные усовершенствования в области катализа могут принести индустрии значительные выгоды в сфере экономии, экологии и энергопотребления.
Двумя главными целями, поставленными учеными из команды химического синтеза, были ускорение процессов открытия катализаторов и разработка катализаторов с селективностью, приближающейся к 100 %.
Ниже перечислены перспективные научные области, успех в которых может придать импульс развитию важнейших областей применения. Чтобы удовлетворить эти потребности, необходимо вложение значительных средств в исследования.
- Создание новых катализаторов за счет объединения теоретических и экспериментальных исследований с усовершенствованным компьютерным моделированием каталитических процессов.
- Разработка методик высокопроизводительного синтеза катализаторов и новых "умных" тестов для организации быстрой проверки небольшого количества катализаторов в различных процессах и сокращения времени анализа за счет параллельной работы и автоматизации.
- Улучшение методик характеристики катализаторов при нынешних производственных условиях, в частности, при высокой температуре и высоком давлении (>1 атм.).
- Новые методики синтеза стабильных, высокопродуктивных катализаторов с контролем над структурой активного центра.
Маршрутная карта исследований катализа - технические ориентиры
В каждой из важнейших областей применения катализа определены группы технических ориентиров, которые могут стать основой для общего маршрута к достижению поставленных целей.
Активация алканов
- Определение факторов, влияющих на контролируемую активацию С-Н связей металлами, оксидами металлов и комплексами переходных металлов.
- Открытие новых способов селективной переработки метана в продукты с большей молекулярной массой.
- Открытие и разработка новых видов катализаторов для получения низкомолекулярных алканов заданного строения и их переработки в промышленно полезные продукты.
Селективное окисление
- Характеристика различных типов присутствия кислорода на поверхностях оксидов, а также их роли в активации алканов и последующем окислении.
- Определение факторов, отвечающих за селективность в избирательном окислении и окислительной дегидрогенизации алканов, избирательном окислении олефинов и ароматических углеводородов.
- Определение новых методов активирования О2.
- Разработка новых катализаторов для избирательного окисления алканов, олефинов и ароматических углеводородов.
Алкилирование
- Разработка твердокислотных катализаторов алкилирования с устойчивой активностью, действующих при низких температурах.
- Определение факторов, отвечающих за плотность и твердость кислотных центров в твердокислотных катализаторах.
Минимизация побочных продуктов, отходов и энергопотребления
- Определение реакций и катализаторов для синтеза наиболее значимых в промышленном отношении продуктов с выходом, превышающим 90 %, и без образования токсичных побочных продуктов.
- Разработка высокоактивных катализаторов для разложения NО непосредственно в N2 и О2 в присутствии О2, Н2О и сырьевых компонент, действующих как яды катализаторов или ингибиторы.
- Разработка активных, низкотемпературных катализаторов для контроля над содержанием летучих веществ и горением метана.
- Разработка катализаторов для эффективного гидрогенолиза хлоруглеводородов в RН и HCl.
- Разработка катализаторов для селективного удаления серы из сырьевых материалов и превращения SOx в ценные продукты.
- Открытие и разработка катализаторов для производства промышленно значимых продуктов при более низких показателях температуры и давления, чем те, что характерны для современных технологических процессов.
Альтернативные и возобновляемые сырьевые материалы
- Разработка катализаторов для деполимеризации смешанных полимеров.
- Разработка катализаторов для избирательного синтеза химикатов из СО и СО2.
- Разработка катализаторов для превращения целлюлозы и углеводов в химикаты.
- Улучшение существующих технологических процессов за счет сокращения уровня СО2, произведенного как побочный продукт.
Полимеризация
- Определение методов достижения контроля над структурой и составом полимеров
- Разработка гетерогенных одноцентровых катализаторов.
- Разработка катализаторов для включения многообразных функциональных групп в процессе полимеризации олефинов.
- Разработка гетерогенных катализаторов для синтеза хиральных полимеров.
Высокопроизводительный синтез и тестирование катализаторов
- Определение высокопроизводительных методов синтеза катализаторов.
- Разработка высокопроизводительных аналитических методик для оценки качества катализаторов.
- Разработка протоколов реакций для быстрого отбора (скрининга) большого количества катализаторов при повышенном давлении.
Методики in situ
- Разработка in situ методик химического анализа поверхностей катализаторов с атомным разрешением, которые применимы в нынешних производственных условиях.
- Разработка методик быстрой оценки структуры катализатора и абсорбата в условиях реакции.
- Разработка методик прогнозирования, направляющих и ускоряющих создание катализаторов для специфических областей применения.
Теоретические методы
- Разработать эффективное количество химических методов, позволяющих оперировать группами из 100-1000 атомов.
- Разработать точные методы прогнозирования показателей коэффициентов для элементарных процессов на поверхности катализатора.
- Разработать эффективные методики прогнозирования и алгоритмы для описания протекающих одновременно реакции и диффузии в пористых катализаторах.
- Подтвердить результаты теоретических вычислений посредством сравнения с экспериментальными данными, полученными в производственных условиях.
- Показать, что теоретические методы могут быть с успехом использованы для прогнозирования качеств новых материалов или реакций.
Этапы
Вот как будет развиваться каталитическая химия до 2020 года - в случае, если будет обеспечено безостановочное финансирование разработанной программы.
- Твердые кислоты заменяют во множестве промышленных технологий жидкие кислоты, такие как НF,. H2SO4 и другие.
- В научной/патентной литературе описывается успешное компьютеризированное наноструктурное изготовление активных центров, производящих экономически жизнеспособные катализаторные структуры.
- Катализаторные системы широко используются в производстве продуктов тонкой химии.
- Достаточное количество удобных в обращении программ молекулярного проектирования и новых in situ методов характеристики катализаторов используется в повседневной работе тех, кто занимается открытием новых катализаторов.
- На рынке появляются новые полиолефиновые материалы, произведенные при катализе из ионогенных олефиновых мономеров.
- Практически завершена разработка промышленных технологий превращения алкенов в алкановое сырье для нефтехимической продукции.
- Комбинаторные методы получили признание у бизнеса и научного сообщества как еще один успешный путь к открытию новых свинцовых катализаторов.
- Переработка этана в жидкости (такие как чистое дизельное топливо) становится экономически выгодным.
- CO2/CO становятся ценными сырьевыми материалами в производстве молекул, важных для химической индустрии.
- Инфраструктура и технологии катализа позволяют производить некоторые из числа 50 основных химикатов из биомассы и/или возобновляемых органических материалов (рост производства химикатов из ископаемого топлива неуклонно замедляется).
- Каталитическое горение происходит в условиях стационарных центров для сокращения выбросов в производстве энергии.
Колебания экономики или другие объективные факторы в силах повлиять на сроки воплощения этой программы, которая сейчас выглядит поистине фантастично, но не изменят результата - уже наше поколение будет наблюдать принципиально иные способы производства окружающих нас предметов...