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.