Российские химики разработали мембраны на основе кремнийсодержащего соединения силоксана, чтобы выделять альдегиды — органические соединения, применяемые в фармацевтике, медицине, пищевой промышленности, косметической индустрии. Авторы добавили в структуру исходного вещества гидроксильные группы, благодаря чему мембрана стала высоко избирательно пропускать углекислый газ и альдегиды. Разработка ученых снизит потребление ресурсов при производстве альдегидов за счет уменьшения затрат на разделение газово-жидких смесей. О работе рассказала пресс-служба Российского научного фонда.
Мембраны — материалы различной природы и химического состава, которые разделяют жидкости и газы, — помогают химикам получать в чистом виде нужные вещества, например альдегиды, чтобы очищать воздух или разделять нефтяные газы. Сейчас в качестве материала для таких мембран всё чаще используют кремнийсодержащие соединения, например, силоксаны. Результаты этих работ уже применяются в индустрии: для кондиционирования природного газа, при очистке сточных вод и в пищевой промышленности для выделения душистых компонентов из соков.
Российские химики из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН создали мембрану для разделения газов и жидкостей на основе полидецилметилсилоксана (PDecMS). Это силоксан, в цепочке которого имеются «хвостики» из углеводородов, называемые децилами. К этим «хвостикам» можно прикреплять различные химические группы, тем самым изменяя свойства изначального вещества. Так, ученые добавили к исходным молекулам гидроксильные OH-группы и исследовали новое вещество как основу для изготовления мембраны, которая позволит выделять из смеси газов и жидкостей альдегиды. Их используют в производстве консервантов, кожи и парфюмерии, из них получают органические кислоты, спирты. полимеры и пластмассы.
Электронные изображения композитных мембран с добавлением OH-группы (a) и без нее (b)
Ученые вводили ОН-группы в силикон с «хвостиками» в ходе реакции гидросилилирования — присоединение мономеров или полимеров, содержащих связь Si-Н, к непредельным соединениям, то есть с двойными и тройными межуглеродными связями. На основе полученных полимеров и были разработаны мембраны сложного состава. Толщина такой мембраны с микрофильтрационной подложкой составляет около 250 мкм (для сравнения, толщина человеческого волоса — от 40 до 120 мкм). Рабочий — селективный — слой мембраны составляет всего от 5 (если это силикон без ОН-группы) до 15 мкм (в случае с добавлением ОН-группы).
Химики протестировали мембраны и их транспортные (скорость проникновения в мембрану) и разделительные (разница между скоростями проникновения разных веществ) свойства. Для этого они использовали газы (азот, кислород, углекислый газ) и жидкости — углеводороды с одной двойной межуглеродной связью (1-гексен, 1-гептен, 1-октен, 1-нонен) и альдегиды (гептаналь и деканаль). Причем ученые проводили эксперименты как с каждым веществом отдельно, так и с их смесями. В частности, исследователи измерили уровень поглощения веществ мембраной для объяснения различий в том, как она пропускает эти вещества через себя.
Оказалось, что мембраны из силоксана с «хвостиками» становятся менее проницаемы при введении в их структуру ОН-групп. Наличие этих фрагментов привело к увеличению избирательности мембраны по отношению к веществам, взаимодействующим с ней. Например, введение 7 % OH-групп в полисилоксан позволило в восемь раз увеличить концентрацию гептаналя (альдегида) по сравнению с 1-гексеном (олефин) после прохождения вещества через мембрану.
Научный коллектив у установки для проведения экспериментов (слева — руководитель проекта Евгения Грушевенко, справа — старший лаборант, студентка Татьяна Рохманка)
«Разработанные в ИНХС РАН полисилоксановые мембраны показали свой потенциал применения для выделения альдегидов из смесей с олефинами. Введение в полимер мембраны ОН-групп позволило повысить ее способность к избирательному переносу СО2 и альдегидов», — рассказывает руководитель проекта Евгения Грушевенко, старший научный сотрудник лаборатории полимерных мембран ИНХС РАН.
Также ученые отметили, что модифицированные материалы с OH-группами нуждаются в более низких энергиях активации реакции (а значит, более низких температуре и давлении) для транспорта и отделения альдегидов от олефинов. Разработанные композиционные мембраны позволят перейти к мембранным реакторам, которые позволят снизить затраты на разделение смеси и защитят целевой продукт от протекания побочных реакций, например, окисления.
Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Polymers.