КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2007, том 48, № 5, с. 808-815
УДК 541.128:542.973
ПРИГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ НОСИТЕЛЕЙ С СИНТЕЗИРОВАННЫМ СЛОЕМ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДА. II. СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН НА НАНЕСЕННОМ Со-КАТАЛИЗАТОРЕ
© 2007 г. Г. А. Коваленко, Н. А. Рудина, Т. В. Чуенко, Л. В. Перминова, Т. Г. Терентьева,
А. С. Розанов*, С. Н. Загребельный*
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск *Новосибирский государственный университет E-mail: galina@catalysis.nsk.su Поступила в редакцию 21.08.2006 г.
Исследован процесс синтеза слоя каталитического волокнистого углерода (КВУ-слоя) на Со-катализаторе, нанесенном путем гомогенного осаждения на поверхность носителей алюмосиликатной природы - пенокерамики и вермикулита. Изучено влияние условий синтеза КВУ-слоя (содержания катализатора на носителе, температуры пиролиза пропан-бутановой смеси, состава газовой смеси) на удельную поверхность носителей, выход по углероду (г C/г Co) и морфологию поверхностного КВУ-слоя. Показано, что на пенокерамике содержание осажденного гидроксида кобальта в 15 раз ниже, а выход по углероду - в 20-40 раз выше, чем для вермикулита. Найдено, что удельная поверхность носителей, выход по углероду и количество синтезированного углерода повышаются с ростом температуры пиролиза пропан-бутановой смеси от 500 до 600°С. Методом сканирующей электронной микроскопии показано, что с ростом температуры пиролиза содержание углерода увеличивается за счет увеличения длины углеродного нановолокна. Изучены свойства (активность, стабильность) биокатализаторов, приготовленных путем адсорбционной иммобилизации рекомбинантного белка, обладающего глюкозоизомеразной активностью, на КВУ-Со-содержащих носителях (пенокерамике и вермикулите).
Известно, что каталитический синтез углеродных нановолокон происходит в процессе пиролиза углеводородов в присутствии металлического катализатора. В большинстве работ в качестве такого катализатора используется металлический Ni, сплав Ni/Cu [1, 2], реже Со, Fe, Fe/Co [3-5]. Работы, посвященные синтезу слоя каталитического волокнистого углерода (КВУ-слоя) толщиной несколько мкм на поверхности макроструктуриро-ванных неорганических носителей, например на керамической матрице [6] или стеклоткани [7], немногочисленны. Единичные работы посвящены изучению влияния условий пиролиза и состава углеводородсодержащей газовой смеси на кинетику разложения углеводорода (метана) и синтез углеродных нановолокон [5]. В работе [5] показано, что процесс пиролиза метана на нанесенном Со-катализаторе в присутствии водорода или СО сопровождается синтезом углеродных нановолокон диаметром ~25 нм, в то время как в отсутствие водорода диаметр углеродного волокна составляет 10 нм.
Ранее авторами были получены макрострукту-рированные керамические носители, на поверхно-
сти которых был синтезирован КВУ-слой в процессе пиролиза пропан-бутановой смеси на нанесенном №-катализаторе, и исследованы адсорбционные свойства данных материалов по отношению к биологически активным веществам (ферментам, клеточным мембранам, целым микроорганизмам) [8-12].
Известно, что ионы Со2+ являются активаторами фермента глюкозоизомеразы [13, 14], поэтому введение этого металла в состав катализатора представляет определенный интерес с точки зрения синтеза носителей для иммобилизации данного фермента и приготовления биокатализаторов для практически важного процесса производства глюкозо-фруктозных сиропов.
Цель данной работы - исследование процесса синтеза КВУ-слоя на Со-катализаторе, нанесенном на поверхность пенокерамики и вермикулита, в том числе изучение влияния условий синтеза КВУ-слоя (содержания кобальта на носителе, температуры пиролиза пропан-бутановой смеси, состава газовой смеси) на удельную поверхность носителей, выход по углероду (г С/г Со) и морфологию поверхностного КВУ-слоя; исследование
полученных КВУ-Со-содержащих носителей в качестве адсорбентов для иммобилизации реком-бинантного белка, обладающего глюкозоизоме-разной активностью, и изучение свойств (активность, стабильность) иммобилизованного фермента в реакции изомеризации фруктозы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве исходного носителя использовали пенокерамику (производства УП "НИИ порошковой металлургии", Минск, Беларусь), имеющую ячеистую трехмерную макроструктуру со средним размером ячейки ~2 мм и открытой пористостью ~70%. Удельная поверхность пенокера-мики составляла 0.5 м2/г. В работе также использовали слоистый природный минерал вермикулит (производства ООО ИПП "Арталия", Санкт-Петербург, Россия) марки "вермикулит вспученный С-ВЕРАД® "АГРО", предназначенный для сельского хозяйства в качестве природного сорбента и активной минеральной добавки для роста растений, а также влагоудерживающего компонента почвы. Данный носитель использовали в виде гранул 2-3 мм с насыпной плотностью ~0.1 г/см3. Удельная поверхность вермикулита составила 9 м2/г.
Нанесенный Со-катализатор готовили методом гомогенного осаждения. Для этого в стеклянную емкость с раствором нитрата кобальта (0.01-0.05 М) и мочевины (0.1 М) помещали исходный носитель, эту емкость нагревали на водяной бане до 85 ± 1°С и выдерживали при данной температуре в течение 3 ч. Соотношение веса носителя (в г) к объему раствора (в мл) составило 1 : ~5 и 1 : ~25 для пенокерамики и вермикулита соответственно. Затем носитель с нанесенным кобальтом (катализатор для процесса пиролиза) промывали дистиллированной водой и высушивали под ИК-лампой в течение 4-6 ч. Высушенные катализаторы охлаждали и хранили в эксикаторе. Содержание нанесенного никеля (в мас. %) определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе ASS1N с пламенно-ионизационным детектором.
Синтез каталитического волокнистого углерода на нанесенном Со-катализаторе проводили путем пиролиза пропан-бутановой смеси при 500-600°С. Использовали реактор с неподвижным слоем катализатора, который формировали с помощью насадки, выполненной из нержавеющей стальной сетки, помещенной в горизонтально расположенный трубчатый кварцевый реактор длиной 200 мм и диаметром 30 мм. Периодически данную насадку механически очищали от продуктов пиролиза - коксовых отложений. Геометрическая поверхность стальной сетки составляла ~0.1 см2. В реактор загружали до 20 г катализатора с суммарной поверхностью ~2-20 м2. Управление температурой печи, в которую был
помещен реактор, осуществляли при помощи микропроцессорного регулятора ПРОТЕРМ-100. Скорость потоков газов устанавливали при помощи редуктора тонкой регулировки на блоке дозировки газа и измеряли с помощью пенного расходомера. В установке катализатор подвергали дополнительному высушиванию в токе азота (скорость потока 12 л/ч) при 85°С в течение 30 мин, затем поток азота меняли на поток газовой смеси различного состава, температуру поднимали до 500-600°С со скоростью 10 град/мин и проводили процесс пиролиза следующим образом: 1 способ -пиролиз пропан-бутановой смеси (скорость потока 24 л/ч) в течение 1 ч, 2 способ - пиролиз газовой смеси водород/(пропан-бутан) = 1 : 8 (об.) в течение 1 ч. Двухстадийный синтез КВУ (3 способ) включал стадию предварительного восстановления гидроксида кобальта водородом при 500-600°С в течение 0.5 ч, затем пиролиз пропан-бутановой смеси при заданной температуре в течение 0.5 ч. Количество синтезированного на поверхности углерода выражали в мас. % и определяли гравиметрически двумя методами: 1) по увеличению массы катализатора, измеренной до и после процесса пиролиза; 2) по убыли массы адсорбента (с КВУ-слоем) при отжиге в атмосфере кислорода при 800°С в течение 3 ч. При расчете содержания углерода учитывали гигроскопичность исходного носителя по потере его массы после прогрева до постоянного веса (200°С, 4 ч), а также определяли потерю массы исходного носителя в условиях пиролиза (600°С, 1 ч) и отжига (800°С, 3 ч). Экспериментальная ошибка составила 1-2%. Для вермикулита, как показали исследования, гигроскопичность составила 13.2%, потеря его массы при отжиге - 19.2%.
Производительность процесса синтеза каталитического волокнистого углерода характеризовали величиной выхода по углероду (Y), равной массе (в г) синтезированного углерода, отнесенной на 1 г металлического катализатора - кобальта (г С/г Co).
Вымывание ионов металлов с КВУ-содержа-щего вермикулита проводили следующим образом. Навеску носителя (1 г) заливали 0.02 М фор-фатным буфером (рН 7.8, 20 мл) и помещали в термостат при 60°С. Через 6 ч буферный раствор заменяли и процедуру вымывания повторяли. Содержание ионов в растворе (в мкг/мл) определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии.
Удельную поверхность носителей (<$Бэт,
м2/г)
определяли по тепловой десорбции аргона на приборе SORBI-M (ЗАО "Мета", Россия). Электронно-микроскопическое исследование морфологии нанесенного на поверхность гидроксида кобальта и синтезированного КВУ-слоя было проведено с помощью сканирующих микроскопов JSM 6460LV (Япония) и LEO 1430 (Германия).
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение поверхности пенокерамики с гидроксидом кобальта, нанесенным в количестве: 0.08 (а), 0.14 (б) и 0.37% (в).
Для адсорбционной иммобилизации использовали рекомбинантный белок, обладающий глю-козоизомеразной (ГИ) активностью, выделенный из штамма E. coli BL21 DE3, в котором модифицированный ген глюкозоизомеразы был клонирован в экспрессирующую плазмиду. Данный белок содержал дополнительно введенную гексагистиди-новую концевую последовательность (His6). Для выделение и очистки His6-rH биомассу E. coli BL21 DE3 дезинтегрировали ультразвуком и над-осадочную жидкость, содержащую His6-rH, отделяли центрифугированием. Затем проводили аффинную хроматографию на Со2+-содержащей TAL-ON-Сефарозе (TALON™ BD Biosciences Clontech). Адсорбцию рекомбинантного белка His6-rH и при-
готовление гетерогенных биокатализаторов проводили в условиях, описанных в работах [8, 9]. Глюкозоизомеразную активность измеряли в следующих условиях: 50°С, 0.02 М фосфатный буфер, рН 7.8, 1 мМ Со2+, 5 мМ Мg2+, 0.5 М фруктоза. При использовании Со-содержащих носителей ионы кобальта в реак
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.