Аркадий Локерман - Рассказ о самых стойких
Использование палладия достигло тогда рекордной величины — 32 тонн, и в дело пошли запасы этого металла, цена на него взлетела.
А спустя три года картина изменилась так: платины израсходовали на 6 тонн больше, и главным потребителем — более 50 процентов! — стала автомобильная промышленность. Несколько увеличился расход платины в стекольной промышленности, прежний уровень сохранился в электротехнической, а в химической и нефтеперерабатывающей снизили расход платины почти вдвое за счет применения рениево-платиновых катализаторов и других усовершенствований.
Технический прогресс обусловил и быстрое затухание палладиевого «бума», взамен электромеханических переключателей распространение получили электронные; был создан серебро-палладиевый сплав, обеспечивающий надежную работу контактов при малом расходе палладия. В результате всего этого расход палладия снизился в США с 32 тонн в 1973 году до 19,4 тонны в 1976-м, а в Японии-с 16,2 до 6 тонн, и угроза палладиевого голода была устранена. В дальнейшем спрос на палладий снова начал возрастать главным образом в связи с более широким использованием его в каталитических процессах.
Примерно так же меняется спрос и на другие платиновые металлы, но общая тенденция сохраняется- всех их требуется все больше и более высокого качества. Характерная черта наших дней-огромная потребность на аванпостах техники в чистых материалах. Их подразделяют на технически чистые, содержащие не менее 99,9 процента основного вещества, химически чистые, в которых его 99,99 процента, и особо чистые у которых три девятки после запятой. Платиновые металлы выпускают в соответствии с этими стандартами платину и палладий — пластичные, легкодеформируемые — в виде слитков, размером 100х65х35 миллиметров, а все остальные — в виде порошка, с размером зерен до 1 миллиметра. Для всех сортов обязательным является равномерное распределение примесей, потому что концентрация, например, кремния, превышающая 0,005 процента, приводит к хрупкому разрушению платины в напряженных термодинамических условиях работы.
Получение особо чистых платиноидов (методом зонной плавки) замечательное достижение, оно открыло возможность познать подлинные их свойства. В монокристаллах даже самый труднодеформируемый металл — рутений становится пластичным, принимает любую форму.
Чемпионы среди катализаторов. В стремлении ускорить химические процессы, расширить их возможности все глубже изучают и шире используют каталитические свойства различных веществ. Катализ теперь — ведущий метод химической технологии. Подсчитано, что более трехсот важных процессов осуществляется в промышленности с его помощью и в год расходуются более 800 тысяч тонн различных катализаторов. Среди них платина (по количеству) на одном из последних мест, но качественные ее показатели так высоки, что она бессменный чемпион-долгожитель. На ее применении базируется технология самых «многотоннажных» и трудных химических производств. Нет нужды перечислять все ее заслуги, ограничимся тремя: платина спасает человечество от азотного и углеводородного голода, она защищает от деятельности «маленьких вулканов»- опасного творения нашего века. Поясним это.
Мрачные прогнозы об истощении запасов нефти, платины, меди и других полезных ископаемых не раз уже становились мировой сенсацией, казались реальными, но открывались новые месторождения — и в мире снова на некоторое время становилось спокойно. Подтвердился только один такой прогноз-относительно селитры. Ее месторождения — крупные в Чили, более мелкие в Индии, Средней Азии — в начале нашего века уже были почти отработаны, а новых найти нигде не удалось. Минералы селитры — азотнокислые соли натрия, калия, аммония — единственное в недрах сырье для получения азотной кислоты и множества ее производных, среди них таких важных, как удобрения и взрывчатые вещества.
Выход остался только один — осваивать «надземное» месторождение, воздушный океан. Азота в воздухе 78,08 процента, в десятки раз больше, чем в селитре, а запасы практически почти безграничны. Однако свободный азот инертен, соединить его с кислородом, создать окись, необходимую для получения кислоты, тогда удавалось лишь при температуре пламени вольтовой дуги (3000 °C).
В 1902 году был построен завод, использующий дешевую энергию Ниагарского водопада. Днем и ночью на 185 вольтовых дугах «сжигали» азот, но выход его окислов не превышал 2 процентов, а затраты электричества были так велики, что этот путь пришлось признать тупиковым. Всевозрастающая нехватка удобрений вела к снижению урожайности, и азотный голод грозил голодом всеобщим.
Выход был найден лишь в следующем десятилетии, когда Ф. Габер и К. Бош разработали аммиачный метод связывания азота, применив платиновые катализаторы. Свободный азот выделяют испарением из жидкого воздуха и при высоких температуре и давлении (500 °C, 800 атм) соединяют с водородом в присутствии катализатора.
Полученный аммиак смешивают с кислородом, нагревают почти до 1000 °C и под давлением (10 атм) прогоняют в контактном аппарате сквозь ажурные, имеющие 3–4 тысячи отверстий на одном квадратном сантиметре, сетки из тройного сплава, в котором 93 процента платины, 4 процента палладия, 3 процента родия. Добавка палладия несколько увеличивает активность катализатора и снижает его стоимость, а родий увеличивает срок службы сеток.
Из аммиака и кислорода в контактном аппарате образуется окись азота и вода. Химизм процесса представляют так: высокая температура ослабляет прочность молекул кислорода и при соприкосновении с платиной ковалентная связь О-О рвется и взаимодействие приводит к образованию связей Pt-О. Платину обволакивает кислород, но эта связь непрочна, ее рвут молекулы аммиака; сами они при этом распадаются на водород и азот, которые под энергичным воздействием активированного кислорода образуют окись азота и воду. Они слабо адсорбируются на платине, их смывает газовый поток, а на катализаторе снова накапливается кислород, реагируя с новыми порциями аммиака. Получение окиси азота таким способом требует затраты энергии в сто раз меньше, чем в вольтовой дуге. Процесс идет быстро, и его можно организовать в любом месте, была бы платина. Заменить ее более дешевым катализатором удалось только при получении аммиака. Для синтеза окиси азота платина остается незаменимой. Только на ней процесс идет без побочных реакций. Все иные катализаторы не защищают от образования закиси азота и других веществ, резко снижающих качество конечного продукта.
Мировое производство связанного азота уже приближается к 25 миллионам тонн в год, и около 80 процентов его расходуют на получение азотных удобрении, но и этого огромного количества мало. Подсчитано, что для получения оптимальных урожаев на посевных площадях земного шара надо затрачивать около 100 миллионов тонн удобрений. Применяемая уже полвека технология-дорогая и сложная, не обеспечивает ликвидации азотного голода. Усилий для создания новых методов, более экономичных и быстрых, затрачивается очень много. Перспективно получение окиси азота из горячей плазмы в реакторах — плазмотронах или из холодной плазмы в ускорителях электронов высоких энергий, но о практическом применении таких способов говорить еще рано. Также сулит успех использование «патента» бактерий, связывающих азот. Установлено, что для его активизации бактерии тоже используют катализаторы — микродозы переходных металлов и, по-видимому, всем из них предпочитают платину.
Расход ее в промышленности на «связывание» азота оценивают сейчас в 15–20 тонн в год, и вряд ли в ближайшем будущем, даже если «патент» бактерий будет широко использован, удастся расход уменьшить.
Почти одновременно с азотным человечество ощутило и углеводородный голод, порожденный распространением двигателей внутреннего сгорания. Для того чтобы обеспечить их «питание», был создан термическим крекинг-разделение нефти на фракции по температурам кипения. При этом выход наиболее ценной легкой фракции-бензина был мал (ароматические углеводороды, из которых его удается получить, обычно занимают подчиненное место в составе нефти).
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.
