5.3. Активные угли–катализаторы

Сочетание ряда перечисленных особенностей активных углей (высокоразвитая структура, способность к обмену ионов, высокой электропроводности, окислительно-восстановительные способности и др.) обусловили их способность катализировать различные химические процессы.

Значение явления катализа и катализаторов в химии, биологии, самой жизни трудно переоценить. В живом организме огромное число процессов идет под действием биокатализаторов – ферментов. В химической промышленности 90-95% всех превращений проходит с применением катализаторов. Катализ недаром называют «волшебной палочкой химии».

В конце 50-х-начале 60-х годов в Институте физической химии АН УССР были выполнены пионерские работы Д.Н. Старжеско, который показал, что различные модификации активных углей (анионообменники) и окисленных (катионообменники) обладают разными каталитическими свойствами в реакциях кислотно-основного типа. Объяснить важность данного открытия можно с помощью следующего примера. Ряд промышленных процессов, таких как синтез и гидролиз эфиров, дегидратация, крекинг, ускоряются растворимыми кислотами и щелочами. На практике раньше использовали в этих процессах сильные кислоты, например серную. В этом случае после окончания синтеза избыток кислоты необходимо было нейтрализовать и отделить от продукта. Кроме того, под действием сильной кислоты часто происходят побочные процессы и требуются дополнительные операции по отделению посторонних продуктов, достаточно громоздкое оборудование и др. Широкое внедрение в практику ионообменных смол, представляющих, по существу, высокомолекулярные нерастворимые кислоты, привело к мысли о применении их вместо растворимых кислот в ряде реакций органического синтеза. Оказалось, что такое использование ионитов создает в технологии ряд преимуществ, основным из которых является простота оформления технологического процесса, легкость отделения катализатора от реакционной массы, возможность непрерывного процесса в колоннах, мягкость и избирательность действия и др. Д. Н.  Стражеско с сотрудниками показал, что окисленные угли вследствие содержания на их поверхности кислотных (протоногенных) групп обладают высокой каталитической активностью в типичных реакциях кислотно-основного типа, а также установил четкую связь между каталитическим действием углей и природой их поверхности: активный уголь (анионит) практически не влияет на течение названных реакций, в то время как в присутствии окисленных углей наблюдается значительный каталитический эффект того же порядка, что и при использовании растворимых кислот или сильнокислых катионитов. Вместе с тем оказалось, что окисленные угли отличаются намного большей химической и термодинамической устойчивостью, чем ионообменные смолы, и могут использоваться до температур 300-400°С, в то время как смолы разрушаются и теряют свою активность при температурах около 100°С или чуть выше.

Каталитические свойства угля можно направленно изменять и разнообразить изменением пористой структуры, природы поверхности, введением модифицирующих добавок и др. К настоящему моменту разработано большое число разнообразных каталитических процессов, ускоряемых активными и окисленными углями.