Сергей Суханов - Перелом. Часть 3 [СИ]

И для всех этих исследований требовалось проводить множество опытов, в которых в качестве катализаторов исследвались самые разные вещества - собственно, для интенсификации этих опытов и потребовалась управляющая ЭВМ. И вот, получив ее в конце сорок второго года, весной сорок третьего исследователи засунули в катализатор алюминий, точнее - его оксид - при 50-100 атмосферах и температурах до трехсот градусов две молекулы метилового спирта превращаются на оксиде алюминия в молекулу ДМЭ и молекулу воды. Правда, за один прогон реагирует всего 10-15%, поэтому смесь надо гонять через реактор несколько раз, одновременно избавляя от воды - сложно, увеличивается расход элекроэнергии на перекачку и досжатие. Да и реакторных емкостей требовалось две - в первой получали метиловый спирт, во второй - уже сам ДМЭ. Но на некоторых катализаторах и при некоторых условиях исследователям удавалось получить ДМЭ и за один прогон, причем с выходом ДМЭ сразу под 90%, что существенно экономило не только электроэнергию, но и само оборудование - тут было достаточно только одной емкости вместо двух. Выгода была очевидна, но процесс пока не давался, так что народ с исступлением пробовал все новые и новые параметры.

А в качестве катализаторов использовались цеолиты. Ведь сами по себе цеолиты - это гидраты алюмосилиактов, то есть механические соединения окислов алюминия, кремния, а также еще каких-то металлов - калия, натрия, кальция и так далее. То есть они изначально содержат алюминий. И добавляя туда другие металлы, по идее можно было получить катализаторы с нужными свойствами. Впрочем, использование их в качестве катализаторов было побочным эффектом, а так-то изначально мы исследовали и даже уже использовали для разделения смесей. Сами по себе цеолиты были известны давно, а в 1925 году Вейгель и Штейнгофф открыли их способность отфильтровывать молекулы веществ. Точнее, вбирать в себя одни молекулы и практически не вбирать другие. Эта особенность была обусловлена строением цеолитов - кристаллическая решетка состоит из окислов кремния, которые соединяются молекулами кислорода, отчего эти образуют тетраэдры и между ними существуют промежутки. Но в некоторых узлах окислы кремния замещены окислами алюминия, а так как кремний имеет заряд 4+, а алюминий - 3+, то внутри каналов возникает остаточный отрицательный заряд - возникает полярность каналов. А если туда напихать еще каких-то катионов - оксидов натрия, калия, бария и тому подобное, то поменяется не только заряд, но и размер решетки, а соответственно и каналов, так как каждый из этих катионов имеет свой радиус. Причем чем больше алюминия, тем больше можно напихать катионов других металлов, так как те компенсируют отрицательный заряд и поэтому "принимаются" без проблем, так как "решают" важную задачу.

Способность к адсорбции тех или иных веществ определялась как раз наличием тех или иных катионов. Собственно, цеолиты и подразделялись на минералы разного состава - шабазит, фаязит, морденит и так далее. И сама-то структура цеолита зависела от соотношения катионов, которые взаимодейтствовали между собой во всех трех направлениях и придавали ту или иную структуру - если все три силы равноценны, получается нормальная трехмерная решетка, если в каком-то направлении силы слабее - получается слоистая структура, а если силы слабые в двух направлениях - цепочечная.

Так, подбирая соотношение кремния, алюминия и катионов, можно было управлять структурой, размерами каналов и полярностью цеолитов. Причем если в природе вещества, участвующие в их образовании, загрязнены множеством примесей, то мы могли "подсунуть" в реакцию чистые вещества и таким образом получать цеолиты с нужными параметрами. Сам синтез был сравнительно несложным делом - надо было "всего-то" повторить природные условия их формирования из перегретых водных растворов веществ под давлением. Мы синтезировали их в автоклавах - из растворов алюмината натрия, водной суспензии кремневой кислоты и щелочи. Собственно, точно по такой же технологии мы получали пьезокерамику, так что процессы нам были известны. В зависимости от типа щелочи, а также температуры и времени реакции получались разные цеолиты. Скажем, если в качестве шелочных металлов выступал только кальций, получали левинит, если к этому добавлялся натрий - получали шабазит, гмелинит или фаязит, а если присутствовал еще и калий - то морденит. Для цеолитов с барием, стронцием и другими металлами природных аналогов нам было неизвестно. Время реакции - от 15 минут до нескольких суток, температуры - от 85 до 300 градусов - набор параметров был велик и еще изучался. Но американцам мы подметки уже подрезали - в США цеолитами занимался Баррер, и в 1942 он запатентовал способ разделения углеводородов при помощи молекулярных сит на основе цеолитов. А мы - через подставную фирму - запатентовали сам способ получения синтетических цеолитов (в РИ этот патент Баррер получил в 1946 году).

И каждая разновидность цеолита имела свои размеры решетки, точнее - пор. Так, фаязит имел сравнительно большие каналы сечением 12 ангстрем, в которые проникали большие молекулы апарафинов, изопарафинов. А другая разновидность фаязита имела каналы уже 24 ангстрема - тут уже проникали и ароматические углеводороды. А вот шабазиты имели каналы только 4,9 ангстрема - тут пролезут только мелкие молекулы - метан, этан, уже хуже - пропан, гептан. Натрийморденит имеет каналы еше мельче - тут почти не проходят метан и этан, не говоря уж о крупных молекулах, а левиниты с каналами 3,8 ангстрема не пропускают даже их, принимая только газы типа азота, и с трудом поглощают даже соляную кислоту, аммиак, аргон. Наши исследователи уже активно пользовались этими свойствами цеолитов, прежде всего для разделения фракций и получения чистых веществ. Но цеолиты начинали все активнее работать и в промышленности. Например, для осушки газов и жидкостей - цеолиты впитывали пары воды, и затем такие фильтры было достаточно нагреть в вакууме - и можно снова отбирать воду из газов. Впрочем, цеолиты использовались для улавливания и других веществ из газов - сероводорода, аммиаков и так далее - пусть даже в материал вбиралось несколько газов, их потом было уже легче разделять с помощью других видов цеолитов или другими способами - например, охлаждением, когда одни газы начинали сжижаться раньше, чем другие. Так, один грамм цеолита с порами 5 ангстрем поглощает 0,2 грамма воды, 0,126 грамма углекислоты, 0,024 грамма азота и 0,008 грамм кислорода, так что может работать и как поглотитель углекислоты на подводных лодках - мы уже испытывали такие аппараты на своих лодках, захваченных еще в 1942 в Кенигсберге. Ну или разделение гептана и толуола, этана и пропана - цеолиты применялись нами для разделения уже полусотни смесей.