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. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.

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 все 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 (Москва) 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). Источник: Grushevenko et al. / Polymers, 2023.

Ученые вводили ОН-группы в силикон с «хвостиками» в ходе реакции гидросилилирования – присоединение мономеров или полимеров, содержащих связь Si-Н, к непредельным соединениям, то 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.

«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, поддержанного грантом РНФ, Евгения Грушевенко, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории полимерных мембран ИНХС РАН.

Научный коллектив у установки для проведения экспериментов (слева – руководитель проекта Евгения Грушевенко, справа – старший лаборант, студентка Татьяна Рохманка). Источник: Евгения Грушевенко.

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.

Источник: пресс-служба Российского научного фонда.