Рассказ о самых стойких
Шрифт:
Академик Н. Д. Зелинский в 1911 году установил что в присутствии платины происходит ароматизация нефти, входящие в ее состав нафтеновые углеводороды дегидрируются, отщепляют водород и могут быть быстро превращены в ароматические углеводороды — бензол, толуол, ксилол и их производные.
Реализация идеи Зелинского привела к замене термического крекинга каталитическим платформингом — роль в нем платины подчеркнута самим названием.
Этот высокопроизводительный способ обеспечивает переработку колоссальных количеств нефти. Проходя сквозь реактор, она соприкасается с мелкими (до 5 миллиметров), покрытыми дисперсной платной шариками из окиси алюминия. Платина по весу составляет в них менее одного процента, но поверхность соприкосновения с нефтью очень велика и мгновенно происходит чудо: из нафтеновых фракций, которые иными способами не поддаются переработке, удается получить бензин и ароматические углеводороды, незаменимое сырье для синтеза каучука, нейлона, полиэфирных волокон, различных смол — всего сейчас из нефти получают более 5 тысяч синтетических продуктов. Каталитический платформинг сделал возможным получение бензинов высшего качества, с очень высоким октановым числом, что определило возможность увеличить мощность двигателей и уменьшить их размеры.
Механизм катализа нефти, по-видимому, определяется мгновенной жизнью комплексных соединений платины и их преобразованием в углеводороды иной структуры.
За последние годы удалось несколько снизить расход платины на нефтехимический синтез применением риформинга — метода переработки под высоким давлением водорода с меньшей затратой катализатора, но и при этом затрачивается в мире не менее 5 тонн платины в год.
Автомобили по темпу «рождаемости» обгоняют людей, и нет оснований надеяться на снижение темпа. Сейчас по планете бегает более 300 миллионов автомобилей, и каждый из них — это «маленький вулкан» выбрасывающий за год в атмосферу примерно 800 килограммов окиси углерода, 200 килограммов различных углеводородов и 40 килограммов окислов азота (которые, к сожалению, использовать невозможно). Кроме того, каждый автомобиль на бегу поглощает кислорода, как 300 человек. Допустимое содержание окиси углерода — 0,03 милиграмма на литр воздуха, и нетрудно подсчитать, в каких масштабах портят его «маленькие вулканы» на колесах.
Полвека назад авторы «Золотого теленка» призывали пешеходов любить и спасать. Теперь этот призыв утратил юмористический оттенок: спасать приходится не только пешеходов, но и автомобилистов — загазованность улиц стала реальной опасностью. Способы борьбы с нею ясны, но трудно осуществимы. Кардинальное решение только в отказе от бензина, замене его иным, безвредным топливом. А пока реальный путь — улучшение качества бензина и установка на автомобилях «дожигателя» — каталитического нейтрализатора отработанных газов, В нем вредные газы выгорают, соприкасаясь с керамическими шариками, покрытыми дисперсной платиной.
Каталитические нейтрализаторы получают все более широкое распространение. Например, в США на их изготовление в 1976 году было израсходовано около 15 тонн платины-больше, чем на все другие виды катализа, вместе взятые. Ведутся в этом направлении работы и в нашей стране. Стоимость нейтрализатора около 300 рублей (см. «Литературную газету» от 31 января 1979 года).
Вместе с платиной в каталитических нейтрализаторах применяют палладий и другие платиноиды. Надо отметить, что их роль в технике катализа велика и все возрастает. Если платина — универсальный катализатор, то платиноиды, продолжая спортивные сравнения, можно назвать чемпионами в отдельных категориях. Так, палладий — лучший ускоритель реакций соединения различных веществ с водородом, что объясняется уникальной его способностью удерживать этот газ. Осмий эффективнее, чем платина и другие катализаторы, ускоряет гидрогенизацию органических веществ. Рутениевые катализаторы используют для получения глицерина и других многоатомных спиртов из целлюлозы, а также для синтеза синильной кислоты. Иридий в сочетании с никелем лучше других действует при синтезе различных веществ из ацетилена и метана. Этот перечень можно продолжать долго.
Катализаторы, непосредственно не участвуя в реакциях, казалось бы, должны служить вечно, но это далеко не так, потери их при соприкосновении с другими реагентами велики, несмотря на все защитные меры.
В общем расходе платиновых металлов катализаторы составляют почти половину, и доля их растет, опережая все иные виды использования.
Незаменимая посуда. Платиновые сервизы давно уже заняли свое место в музеях, но иная посуда из этого металла — лабораторная, технологическая остается незаменимой. В длинном ее перечне на первом месте по значению вот уже два столетия стоят тигли. «Без них, — как отметил еще Ю. Либих в „Химических письмах“, — состав большинства минералов оставался бы неизвестен».
Сейчас даже трудно представить себе, как мизерны были знания о Земле до появления платиновых тиглей. В земной коре преобладают силикаты. Многие из них удается разложить, перевести в раствор только предварительно сплавив с содой или подвергнув длительной обработке плавиковой кислотой. Только платиновая посуда выдерживает необходимые для анализа силикатов температуры, воздействие паров фтора и других особо активных реагентов.
Применение платиновой посуды расширяло возможности познания, но сопровождалось быстрой гибелью драгоценных тиглей. Постепенно выявилось, что они не универсальны, в них нельзя плавить металлы или вещества, способные их выделять, так как при этом образуются сплавы с платиной. Запрет пришлось распространить на свободные бор, кремний, фосфор, а также на едкие щелочи, цианиды, сульфиды — все они сокращают срок жизни тиглей. К этому же приводит и неумелый нагрев, при очень высокой его температуре платина начинает поглощать углерод из пламени, становится ломкой. Опасно для нее и низкотемпературное, коптящее пламя. Должен быть тигель защищен и снаружи, только платиновая или кварцевая подставка для этого пригодны.
Добавки к платине иридия, родия, рутения в дальнейшем сделали лабораторную посуду более долговечной и универсальной, а теперь удалось создать сплавы которые не боятся лаже мышьяка, фосфора и других еще недавно «запретных» веществ.
Ни одна лаборатория не обходится без платиновой посуды, но куда больше ее на заводах, там можно увидеть платиновые тигли до 30 килограммов!
Уменьшить расход платины помогает платинирование — гальваническое нанесение тончайшего защитного слоя на химическую аппаратуру, что особенно существенно при крупных ее размерах (например, таких, как резервуары атомных реакторов).
По расходованию платины на посуду (это надо подчеркнуть, чтобы не спутать с иным использованием) сейчас на первом месте, по-видимому, стекольная промышленность.
Стекло, железо и бетон — важнейшие современные конструкционные материалы. В этой триаде стекло патриарх, его уже применяли, когда еще не знали железа, не говоря уж о бетоне.
С веками стекло — строительное, тарное, художественное, лабораторное использовалось все шире и разнообразнее. Достижения нашего времени заключаются не столько в расширении ассортимента, сколько в механизации производства, применении различных стеклоформирующих машин, положивших конец господству стеклодувной трубки, изобретенной еще до новой эры. Благодаря этому появилась возможность производить стеклянное волокно-тончайшие нити, внешне похоже на шелковые, но не сопоставимые с ними по своим свойствам. Они обладают высокой химической, термической и механической стойкостью, не пропускают ток, прозрачны и способны образовывать единое целое со многими другими материалами, особенно с синтетическими смолами. Поэтому современную технику уже невозможно представить себе без стеклопластиков, различных электроизоляционных материалов, фильтров и многих других изделий, основу которых составляют стеклянные волокна. У них мало конкурентов и по качеству и — что очень существенно — по стоимости.
Стеклянные нити получают продавливанием расплава сквозь мельчайшие отверстия фильеров. Казалось бы, дело простое, если не учитывать, что необходимы нити толщиной 3-10 микрометров. Еще недавно такие нити удавалось создавать только жукам-шелкопрядам!
Получение обычного стекла ведут при температуре лишь незначительно превышающей 1000 °C, и уже тогда расплав становится агрессивным, он корродирует все, с чем соприкасается. А для получения тончайших нитей, необходимых для стекловолокна, оптимальным является температурный интервал 1200–1450 °C. Кремнекислый расплав при таком нагреве становится яростным агрессором, лучшие легированные стали, из которых пробовали изготовлять стеклоплавильные сосуды, выдерживают лишь десятки часов работы и то при температуре, не превышающей 1300 °C.
Уровень тепловых напряжений в стеклоплавильных сосудах так высок, что не выдержали экзамена и все известные керамические и металлокерамические материалы.
Единственной и незаменимой на протяжении истории получения стекловолокна, насчитывающей уже половину века, остается платина с небольшой (7-10 процентов) добавкой родия.
Этот сплав выдерживает тысячи часов нагрева до 1450 °C, резкие смены температуры, он стоек против коррозии и других невзгод. Потери платины за счет возгонки и растворения в стекломассе составляют около 200 граммов на тонну стекловолокна, казалось бы, немного, но если учесть быстрый рост объемов производства и цены на платину, станет понятным, почему патентуются все новые специализированные сплавы, в которых платину пытаются заменить золотом, палладием, еще чем-либо. Пока достигнуты успехи лишь в комбинировании различных сплавов, применяют, например, «тройные» фильерные пластины: внутренний слой, прилегающий к расплаву, делают из чистой платины (она эластична и предохраняет от трещин), средний слой-жаропрочный, платинородийиридиевый и наружный — золотой, оптимальный для формовки стекловолокна.