Selective Hydrogenolysis of Glycerol to 1,2-Propanediol over a NaBH4-Reduced Cu–Pd/TiO2 Catalyst
यह प्रदर्शित किया गया कि एक NaBH4-अपचयित (reduced) Cu–Pd/TiO2 उत्प्रेरक, तनु जलीय ग्लिसरॉल के 1,2-प्रोपेनडिओल के चयनात्मक हाइड्रोजनीकरण (hydrogenolysis) के लिए अपने एकल-धातु समकक्षों की तुलना में श्रेष्ठ था, जिसने अनुकूलित अभिक्रिया स्थितियों के तहत 63.38% रूपांतरण प्राप्त किया और उत्पाद वितरण पर परिचालन चरों के प्रभाव को रेखांकित किया।
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जब भी कोई कारखाना वनस्पति तेल को बायोडीजल ईंधन में बदलता है, तो यह ग्लिसरॉल नामक एक गाढ़ा, चिपचिपा उपोत्पाद (बायप्रोडक्ट) उत्पन्न करता है। दशकों तक, यह पदार्थ एक परेशानी बना रहा, जो गोदामों में जमा होता रहा क्योंकि इसकी मात्रा बहुत अधिक थी और इसे उपयोग करने के उपयोगी तरीके बहुत कम थे। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस अधिशेष को किसी मूल्यवान चीज़ में बदलने का तरीका खोजा है, ठीक वैसे ही जैसे किसी सामान्य कच्चे माल को एक उच्च श्रेणी के उत्पाद में बदला जाता है। एक आशाजनक मार्ग में ग्लिसरॉल अणु को तोड़ना और उसे 1,2-प्रोपेनडिओल में फिर से बनाना शामिल है, जो एक ऐसा रसायन है जिसका उपयोग एंटीफ्रीज से लेकर स्किन क्रीम तक सब कुछ में व्यापक रूप से किया जाता है। चुनौती इसे स्वच्छ और कुशलता से करने में निहित है, जिसमें एक उत्प्रेरक (कैटलिस्ट)—एक ऐसा पदार्थ जो बिना समाप्त हुए रासायनिक प्रतिक्रिया की गति बढ़ाता है—का उपयोग करके प्रक्रिया को निर्देशित करना है ताकि वांछित उत्पाद बिना किसी अवांछित उप-रसायनों के कचरे के बने।
किंग मोंगकुट्स यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी थोंगरी, थाईलैंड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में तनु (डाइल्यूट) ग्लिसरॉल जल को 1,2-प्रोपेनडिओल में बदलने के लिए एक विशिष्ट प्रकार का उत्प्रेरक डिजाइन करके इस समस्या का समाधान किया। उन्होंने तांबे (कॉपर) और पैलेडियम का एक मिश्रण बनाया, और उन्हें टाइटेनियम डाइऑक्साइड से बने एक आधार (सपोर्ट) पर लगाया। इस मिश्रण को तैयार करने के लिए, उन्होंने धातु के लवणों को उनके सक्रिय रूपों में बदलने के लिए सोडियम बोरोहाइड्राइड नामक एक रासायनिक घोल का उपयोग किया, जो एक ऐसी विधि है जो धातु के कणों को समान रूप से फैलाने में मदद करती है। टीम ने फिर इस नए उत्प्रेरक का परीक्षण एक उच्च-दबाव वाले पात्र (वेसल) में किया, जिसमें ग्लिसरॉल को परिवर्तित करने की क्षमता देखने के लिए इसे हाइड्रोजन गैस के साथ गर्म किया गया। उनका लक्ष्य उपयोगी उत्पाद की मात्रा को अधिकतम करने और कचरे को न्यूनतम करने के लिए सामग्रियों और स्थितियों का सही संतुलन खोजना था।
शोधकर्ताओं ने पाया कि उनका दो-धातु वाला संयोजन अकेले किसी भी धातु का उपयोग करने की तुलना में काफी बेहतर काम करता है। जब उन्होंने केवल कॉपर या केवल पैलेडियम वाले उत्प्रेरक का परीक्षण किया, तो परिणाम मामूली रहे। हालांकि, टाइटेनियम सपोर्ट पर दोनों धातुओं के मिश्रण ने वांछित रसायन की बहुत अधिक उपज (यील्ड) प्रदान की। प्रत्येक धातु की मात्रा को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट अनुपात—दस भाग कॉपर और पैलेडियम का एक बहुत छोटा अंश—सबसे अच्छा प्रदर्शन करता है। इन अनुकूलित स्थितियों के तहत, उत्प्रेरक ने साठ प्रतिशत से अधिक ग्लिसरॉल को लक्षित उत्पाद में बदल दिया, जिसमें अंतिम मिश्रण में वांछित रसायन की शुद्धता असाधारण रूप से उच्च थी।
प्रक्रिया की सफलता प्रतिक्रिया पात्र के भीतर के वातावरण पर बहुत अधिक निर्भर थी। टीम ने पाया कि हाइड्रोजन गैस का दबाव एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता था; दबाव बहुत कम होने पर प्रतिक्रिया संघर्ष करती थी, जबकि बहुत अधिक दबाव वास्तव में चयनात्मकता (सेलेक्टिविटी) को नुकसान पहुँचाता था, जिससे अवांछित उपोत्पाद बनते थे। उन्होंने निर्धारित किया कि बीस बार (bar) का दबाव सबसे उपयुक्त बिंदु था। इसी तरह, तापमान भी बिल्कुल सही होना चाहिए था। कम तापमान पर, प्रतिक्रिया मुश्किल से शुरू होती थी, लेकिन दो सौ डिग्री सेल्सियस पर, प्रक्रिया अत्यधिक सक्रिय और चयनात्मक हो गई। प्रतिक्रिया की अवधि भी मायने रखती थी; सोलह घंटे तक प्रक्रिया चलाने से शुरुआती सामग्री को बदलने और उत्पाद को शुद्ध रखने के बीच सबसे अच्छा संतुलन प्राप्त हुआ, जबकि इसे लंबे समय तक चलाने से वांछित उत्पाद और अधिक टूट जाता था।
यहाँ तक कि उत्प्रेरक की मात्रा और ग्लिसरॉल की सांद्रता (कंसंट्रेशन) ने भी परिणाम को प्रभावित किया। ग्लिसरॉल की थोड़ी मात्रा के लिए पचास मिलीग्राम उत्प्रेरक का उपयोग करने से सर्वोत्तम परिणाम मिले। जब शोधकर्ताओं ने उसी मात्रा के उत्प्रेरक के साथ ग्लिसरॉल की बड़ी मात्रा को संसाधित करने का प्रयास किया, तो दक्षता में गिरावट आई, जिससे पता चला कि उत्प्रेरक के सक्रिय स्थल (एक्टिव साइट्स) अभिभूत हो गए थे। अध्ययन में यह भी देखा गया कि क्या उत्प्रेरक का पुन: उपयोग किया जा सकता है। हालांकि सामग्री ने कई उपयोगों के दौरान सही उत्पाद चुनने की अपनी क्षमता बनाए रखी, लेकिन प्रत्येक उपयोग के साथ रूपांतरण दर थोड़ी कम हो गई, जिससे संकेत मिलता है कि उत्प्रेरक या तो अपने कुछ सक्रिय पदार्थ को खो रहा है या बार-बार उपयोग के साथ कम प्रभावी हो रहा है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि रासायनिक रूप से तैयार कॉपर और पैलेडियम का मिश्रण अपेक्षाकृत सौम्य परिस्थितियों में एक सामान्य औद्योगिक अपशिष्ट उत्पाद को एक मूल्यवान रसायन में प्रभावी ढंग से बदल सकता है। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने ग्लिसरॉल वैलोरइजेशन (मूल्यवर्धन) की पूरी समस्या को हल कर लिया है, न ही यह निश्चित रूप से सटीक परमाणु तंत्र (एटॉमिक मैकेनिज्म) को सिद्ध करता है कि क्यों दो धातुएं इतनी अच्छी तरह से मिलकर काम करती हैं। इसके बजाय, यह संचालन के एक स्पष्ट, मापे गए सेट को प्रदान करता है जो इस विशिष्ट उत्प्रेरक को अपने शिखर प्रदर्शन के लिए अनुमति देता है। तापमान, दबाव और सामग्री के सटीक अनुपात की पहचान करके, शोधकर्ताओं ने तनु ग्लिसरॉल से 1,2-प्रोपेनडिओल बनाने के लिए एक व्यावहारिक ब्लूप्रिंट पेश किया है, जो इस क्षेत्र को एक औद्योगिक अधिशेष को एक उपयोगी संसाधन में बदलने की दिशा में एक कदम और आगे ले जाता है।
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