A comparison of the catalytic hydrogenation of 2-amylanthraquinone and 2-ethylanthraquinone over a Pd/Al ₂O₃ catalyst

Abstract

The hydrogenation of 2-ethylanthraquinone (eAQ), 2-tert-amylanthraquinone (taAQ) and their mixtures with molar ratios of 1:1 and 1:2 to the corresponding hydroquinones (eAQH₂ and taAQH₂) were studied over a Pd/Al₂O₃ catalyst in a semi-batch slurry reactor at 60 °C and at 0.3 MPa. Compared to eAQ, TaAQ exhibited a significantly slower hydrogenation rate (about half) but had a higher maximum yield of H₂O₂ and a smaller amount of degradation products. This can be ascribed to the longer and branched side chain in taAQ, which limits its accessibility to the Pd surface and its diffusion through the pores of the catalyst. Density functional theory calculations showed that it is more difficult for taAQ to adsorb onto a Pd (111) surface than for eAQ. The hydrogenation of the eAQ/taAQ mixtures had the slowest rates, lowest H₂O₂yields and the highest amounts of degradation products.

Graphical abstract

Keywords

hydrogenation / hydrogen peroxide / anthraquinone / Pd catalyst / AO process

References

[1] Hong R, Feng  J, He Y ,  Li D. Controllable preparation and catalytic performance of Pd/anodic alumina oxide@Al catalyst for hydrogenation of ethylanthraquinone. Chemical Engineering Science, 2015, 135: 274–284

[2] Fan S, Yi  J, Wang L ,  Mi Z. Direct synthesis of hydrogen peroxide from H₂/O₂ using Pd/Al₂O₃ catalysts. Reaction Kinetics and Catalysis Letters, 2007, 92(1): 175–182

[3] Okninski A, Bartkowiak  B, Sobczak K ,  Kublik D ,  Surmacz P ,  Rarata G ,  Marciniak B ,  Wolanski P . 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 2014

[4] Wang Q, Wang  L, Wang Y ,  He F, Li  Z, Mi Z . Study on deactivation and regeneration of Pd/Al2O3 catalyst in hydrogen peroxide production by the anthraquinone process. Reaction Kinetics and Catalysis Letters, 2004, 81(2): 297–304

[5] Liu G, Duan  Y, Wang Y ,  Wang L, Mi  Z. Periodically operated trickle-bed reactor for EAQs hydrogenation: Experiments and modeling. Chemical Engineering Science, 2005, 60(22): 6270–6278

[6] Sandelin F, Oinas  P, Salmi T ,  Paloniemi J ,  Haario H . Kinetics of the recovery of active anthraquinones. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2006, 45(3): 986–992

[7] Sandelin F, Oinas  P, Salmi T ,  Paloniemi J ,  Haario H . Dynamic modelling of catalytic liquid-phase reactions in fixed beds—kinetics and catalyst deactivation in the recovery of anthraquinones. Chemical Engineering Science, 2006, 61(14): 4528–4539

[8] Drelinkiewicz A. Deep hydrogenation of 2-ethylanthraquinone over Pd/SiO₂ catalyst in the liquid phase. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 1992, 75(3): 321–332

[9] Drelinkiewicz A, Waksmundzka-Góra  A. Investigation of 2-ethylanthraquinone degradation on palladium catalysts. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 2006, 246(1-2): 167–175

[10] Li J, Yao  H, Wang Y ,  Luo G. One-step preparation of Pd-SiO₂ composite microspheres by the sol-gel process in a microchannel. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(26): 10660–10666

[11] Shen C, Wang  Y, Xu J ,  Lu Y, Luo  G. Preparation and the hydrogenation performance of a novel catalyst-Pd nanoparticles loaded on glass beads with an egg-shell structure. Chemical Engineering Journal, 2011, 173(1): 226–232

[12] Feng J, Wang  H, Evans D G ,  Duan X, Li  D. Catalytic hydrogenation of ethylanthraquinone over highly dispersed eggshell Pd/SiO₂-Al₂O₃ spherical catalysts. Applied Catalysis A, General, 2010, 382(2): 240–245

[13] Tang P, Chai  Y, Feng J ,  Feng Y, Li  Y, Li D . Highly dispersed Pd catalyst for anthraquinone hydrogenation supported on alumina derived from a pseudoboehmite precursor. Applied Catalysis A, General, 2014, 469: 312–319

[14] Chen H, Huang  D, Su X ,  Huang J ,  Jing X, Du  M, Sun D ,  Jia L, Li  Q. Fabrication of Pd/γ-Al₂O₃ catalysts for hydrogenation of 2-ethyl-9,10-anthraquinone assisted by plant-mediated strategy. Chemical Engineering Journal, 2015, 262: 356–363

[15] Shang H, Zhou  H, Zhu Z ,  Zhang W . Study on the new hydrogenation catalyst and processes for hydrogen peroxide through anthraquinone route. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2012, 18(5): 1851–1857

[16] Santacesaria E, Serio  M D, Russo  A, Leone U ,  Velotti R . Kinetic and catalytic aspects in the hydrogen peroxide production via anthraquinone. Chemical Engineering Science, 1999, 54(13-14): 2799–2806

[17] Tan J, Zhang  J, Lu Y ,  Xu J, Luo  G. Process intensification of catalytic hydrogenation of ethylanthraquinone with gas-liquid microdispersion. AIChE Journal. American Institute of Chemical Engineers, 2012, 58(5): 1326–1335

[18] Santacesaria E, Serio  M D, Velotti  R, Leone U . Hydrogenation of the aromatic rings of 2-ethylanthraquinone on palladium catalyst. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 1994, 94(1): 37–46

[19] Kosydar R, Drelinkiewicz  A, Ganhy J P . Degradation reactions in anthraquinone process of hydrogen peroxide synthesis. Catalysis Letters, 2010, 139(3-4): 105–113

[20] Drelinkiewicz A. Kinetic aspects in the selectivity of deep hydrogenation of 2-ethylanthraquinone over Pd/SiO₂. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 1995, 101(1): 61–74

[21] Petr J, Kurc  L, Bělohlav Z ,  Červený L . Catalytic hydrogenation of 2-ethyl-9,10-anthrahydroquinone. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2004, 43(7): 887–894 

[22] Jia X, Yang  Y, Liu G ,  Pan Z. Solubility of 2-tert-butylanthraquinone in binary solvents. Fluid Phase Equilibria, 2014, 376: 165–171

[23] Li X, Su  H, Ren G ,  Wang S. Effect of metal dispersion on the hydrogenation of 2-amyl anthraquinone over Pd/Al₂O₃ catalyst. Journal of the Brazilian Chemical Society, 2016, 27(6): 1060–1066

[24] Yuan E, Wu  C, Liu G ,  Wang L. One-pot synthesis of Pd nanoparticles on ordered mesoporous Al₂O₃ for catalytic hydrogenation of 2-ethyl-anthraquinone. Applied Catalysis A, General, 2016, 525: 119–127

[25] Liu D, Zhang  J, Li D ,  Kong Q, Zhang  T, Wang S . Hydrogenation of 2-ethylanthraquinone under Taylor flow in single square channel monolith reactors. AIChE Journal. American Institute of Chemical Engineers, 2009, 55(3): 726–736

[26] Berglin T, Schoeoen  N H. Kinetic and mass transfer aspects of the hydrogenation stage of the anthraquinone process for hydrogen peroxide production. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 1981, 20(4): 615–621

[27] Fajt V, Kurc  L, Červený L. The effect of solvents on the rate of catalytic hydrogenation of 6-ethyl-1,2,3,4-tetrahydroanthracene-9,10-dione. International Journal of Chemical Kinetics, 2008, 40(5): 240–252

[28] Drelinkiewicz A, Laitinen  R, Kangas R ,  Pursiainen J . 2-Ethylanthraquinone hydrogenation on Pd/Al₂O₃. Applied Catalysis A, General, 2005, 284(1-2): 59–67

[29] Santacesaria E, Serio  M D, Velotti  R, Leone U . Kinetics, mass transfer, and palladium catalyst deactivation in the hydrogenation step of the hydrogen peroxide synthesis via anthraquinone. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1994, 33(2): 277–284

[30] Li Y, Feng  J, He Y ,  Evans D G ,  Li D. Controllable synthesis, structure, and catalytic activity of highly dispersed Pd catalyst supported on whisker-modified spherical alumina. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(34): 11083–11090

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg