Объединение микрофлюидных технологий и гетерофазного (бифазного) катализа представлено в совместном исследовании коллективов Южного федерального университета (ЮФУ) и Российской академии наук (РАН). Применение микрофлюидных систем позволило масштабировать и реализовать процесс получения силиконов в проточном режиме с высокой эффективностью и уменьшить трудо- и времязатраты. Это открывает возможности для полностью автоматизированного малотоннажного производства силиконовых материалов.
Одна из важнейших реакций в кремнийорганической химии – гидросилилирование: именно так получают те самые силиконы и органосиланы, без которых трудно себе представить современный химпром. Силиконовые материалы используются во всех отраслях промышленности: от сельского хозяйства до авиации. Но классический метод их производства — гидросилилирование — основывается на платиновых катализаторах. Платина довольно дорогостоящая, ее сложно отделить от итогового продукта. Сегодня затраты на платину составляют около 30% стоимости силиконовой промышленности.
Ранее коллективом ученых из ИНЭОС РАН, ИНХС РАН и МГУ была предложена устойчивая и удобная в обращении гетерофазная (бифазная) каталитическая система для гидросилилирования. Она основана на простой и доступной соли платины (K2PtCl4) как источника каталитически активной Pt и дешевого этиленгликоля как растворителя (фазы) для Pt-катализатора. Благодаря высокой гидрофильности такого катализатора она не смешивается с высоко гидрофобными реагентами и продуктами (аналог: вода-масло), позволяя проводить реакцию на границе раздела фаз и отделять катализатор обычным декантированием.
«Наш коллектив занимается разработкой каталитических методов, главным образом, для получения кремнийорганических соединений и силиконовых материалов. Ранее нами были предложены гетерофазные каталитические системы для гидросилилирования, которые объединяют в себе преимущества гомогенных и гетерогенных катализаторов: высокую активность первых и рециклизуемость вторых. Благодаря этому удается провести не менее 40 рециклизаций такого катализатора в мягких условиях: комнатная температура и атмосферное давление.
Вместе с тем, периодическая рециклизация является трудо- и времязатратной. Кроме того, возникают сложности при масштабировании процесса из-за проблем тепло- и массопереноса, которые наиболее выраженно проявляются в таких многофазных системах. Эти проблемы уже являются больше техническими и физическими. Поэтому одним из наиболее многообещающих подходов для их решения является применение проточных микрореакторов и автоматизация процесса», – сообщает руководитель группы ИНОЭС РАН и ИНХС РАН Ашот Арзуманян.
Чтобы повысить эффективность этого процесса, нужно увеличить площадь контакта двух фаз катализатора и реагентов, а также автоматизировать процесс отделения и повторного использования платины. Для этого идеально подходят микрофлюидные реакторы. Они состоят из очень узких капилляров (шириной менее миллиметра), в которых капли катализатора объемом меньше микролитра организованно движутся в растворе реагентов. Это позволяет на порядок увеличить площадь контакта фаз по сравнению с простым перемешиванием.
Производство основано на использовании современных аддитивных технологий. Сложную геометрию микроканалов в устройстве размером со спичечный коробок получают методом DLP-печати, воздействуя сфокусированным УФ-пучком на фотополимерную смолу. Разработкой таких микрофлюидных реакторов для ускоренного производства новых материалов занимаются ученые Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ в рамках программы «Приоритет 2030» (нацпроект «Наука и университеты»).
Для реализации процесса в проточном режиме требовался мониторинг за выходом продукта реакции в режиме реального времени. С этой целью авторы использовали конфокальную Рамановскую микроскопию.
«Благодаря короткому времени измерения, простоте и высокой чувствительности Раман спектроскопии мы использовали ее для in situ мониторинга реакции. При этой методике вещество прямо в чипе или в трубке на выходе из реактора облучают лазером. Используя неупругое рассеяние фотонов (Рамановский эффект), мы можем количественно оценить превращение реагентов в продукт без ручного отбора проб. Кроме того, это позволило нам провести кинетические исследования реакции в проточном режиме», – комментирует к.ф.-м.н., н.с. МИИИМ ЮФУ Андрей Терещенко.
«Такой метод — важный шаг для возможности многократного использования катализатора. Дело в том, что они не могут работать бесконечно, поэтому в реальных процессах нужно отслеживать их конверсию в каждом цикле. Ручной отбор проб и их анализ занимают больше времени, чем сама реакция. Поэтому непрерывный анализ внутри реактора принципиально важен для создания автономной установки. Теперь процесс анализа и рециклизации (повторного использования) катализатора полностью автоматизирован», — рассказывает Ирина Гончарова, научный сотрудник ИНЭОС РАН и ИХС РАН.
При этом по производительности предложенный непрерывный метод не уступает предложенному ранее периодическому – реакция проходит всего за пять минут. Это в будущем позволит многократно масштабировать производство силиконов, уменьшая финансовые затраты и минимизируя ручной труд.
«Разработанные решения применимы и для других многофазных химических процессов, в том числе для производства ряда мало- и крупнотоннажных продуктов. Сотрудничество с ведущими академическими институтами страны позволяет непрерывно модернизировать разрабатываемые микрофлюидные устройства и программное обеспечение под новые научные задачи, а также предлагать готовые решения для коммерческих компаний», — рассказывает Александр Гуда, руководитель молодёжной лаборатории ЮФУ.
Исследование проводилось в рамках программы развития ЮФУ «Приоритет 2030», при поддержке Минобрнауки № 075–15-2024–547. Результаты опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal (Q1, IF=13.3).
Текст: Полина Бринза, ред.: Ольга Данилюк, Юлия Сопрунова
Информация предоставлена Центром общественных коммуникаций Южного федерального университета
Источник фото: ru.123rf.com