Selective oxidation over mixed oxide catalysts

Abstract: Popular Abstract in Swedish En spännande utmaning för forskare inom både akademin och industrin är att utveckla industriella processer som mer effektivt använder både befintliga som alternativa råvaror för produktion av viktiga kemiska intermediat. Sådana intermediat används i sin tur som råvara för att framställa funktionella och idag ovärderliga material såsom plaster, fibrer, gummin, färger, ytbehandlingsmedel m.m. För att kemiska produktionsprocesser skall vara konkurrenskraftiga måste de vara resurssnåla. Detta förutsätter i regel en katalysator. I närvaro av en katalysator kan en kemisk reaktion ske vid betydligt lägre temperatur än då reaktionen får ske okatalyserad, vilket både sparar energi och underlättar reaktorkonstruktioner. En låg reaktionstemperatur är extra viktig då kemiska intermediat framsälls, eftersom dessa produkter ofta är termodynamiskt instabila och därför lätt överoxideras (förbränns) vid en alltför hög temperatur. Detta medför att utbytet av de önskvärda produkterna blir lågt och att råvaruförbrukningen blir hög, något som gör okatalyserade processer både olönsamma och miljömässigt ohållbara. De katalysatormaterial som jag studerat är metalloxider. Metalloxider är fasta föreningar av metall- och syreatomer och kan liknas vid porösa stenar på vilkas yta den kemiska reaktionen sker. Som katalysatorer för industriell produktion av intermediat används metalloxider mycket flitigt. Framställning av akrylnitril genom reaktion mellan propen, ammoniak och syrgas är ett exempel. Ökad efterfrågan på propen har lett till kraftigt ökat pris på denna de senaste åren vilket gjort det önskvärt att ersätta propen med propan, som är en betydligt billigare och mer tillgänglig råvara. Eftersom komplexiteten i reaktionen ökar då propan ersätter propen så krävs det komplexa katalysatorer, som kan underlätta samtliga reaktionsdelsteg. Tidigare har det visats att en kombination av två olika metalloxider ger mer akrylnitril från propan än då endast en av dem används. I min avhandling har jag studerat hur dessa två oxider kan förbättras var för sig så att en blandning av dem än mer effektivt kan katalysera reaktionen. Genom att variera dess sammansättning har mer reaktiva och selektiva katalysatorer utvecklats, vilket tagit denna reaktion ett steg närmare kommersialisering. Formaldehyd framställs idag genom att reagera metanol och syrgas över en oxidkatalysator bestående av järn, molybden och syre. Processen är väletablerad och resurssnål då runt 94 % av den metanol som förbrukas omvandlas till formaldehyd. Dock finns det incitament för att studera alternativa katalysatorer för denna reaktion. Ett av dessa är att under drift så förflyktigas molybdenet ur katalysatorn, vilket begränsar livslängden till v omkring 10-18 månader. De katalysatorer som jag har studerat är vanadinbaserade. Resultaten som presenteras i avhandlingen visar att vanadin är stabilt i dessa katalysatorer, men att det fordras något mer metanol för att framställa samma mängd formaldehyd som då den molybdenbaserade katalysatorn används. Med tanke på att kostnaden för metanol motsvarar mer än 90 % av produktionskostnaden, så krävs en förbättrad selektivitet innan vanadinbaserade katalysatorer kan anses vara ett alternativ till dagens kommersiella molybdenbaserade katalysatorer.