Коллективы учёных из Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и Южного федерального университета объединили гетерофазный (бифазный) катализ и микрофлюидные технологии. 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. Результаты работы опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.

Силиконовые материалы являются продуктами мало- и крупнотоннажной химии и находят применение во всех сферах человеческой деятельности: от авиакосмической отрасли до медицины и сельского хозяйства. Одним из базовых методов их получения силиконов является гидросилилирование, катализируемое комплексами платины.

Однако, из-за высокой стоимости и волатильности цен на платину, а также её необратимого «рассеивания», приводящего к загрязнению силиконовых продуктов и окружающей среды, возникают серьёзные экономические, экологические и научно-технические проблемы. Разработка новых каталитических подходов могла бы решить эти проблемы.

«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, удаётся 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», — рассказал руководитель групп ИНЭОС РАН и ИНХС РАН Ашот Арзуманян.

Микрофлюидные технологии позволяют проводить реакции в субмиллиметровых капиллярах в проточном режиме. Диаметр микрофлюидной трубки-реактора составляет всего несколько сотен микрометров, этот параметр можно настраивать. Такие трубки являются дешёвыми и коммерчески доступными.

Чтобы добиться эффективного перемешивания, необходимо также создать большое количество изгибов в реакторе. Для этого авторы использовали технологии 3D-печати. Сложную геометрию микроканалов в устройстве размером со спичечный коробок получают методом DLP-печати, воздействуя сфокусированным УФ пучком на фотополимерную смолу. Это позволяет создавать устройства с желаемой топологией микроканалов за несколько часов. Это не только удобно, но и мобильно: в устройстве размером со спичечный коробок могут быть плотно уложены несколько метров трубки. Можно напечатать и поставить работать параллельно сразу несколько идентичных чипов.

Для тонкой настройки расхода реагентов и катализатора, а также разделения продукта и рециклизации катализатора использовали высокоточные шприцевые насосы.

Благодаря применению таких микрофлюидных систем, удалось решить проблемы тепло- и массопереноса. Возможность быстрой настройки размера и формы микроканалов, мобильность и простота воспроизведения реакторов позволяет легко оптимизировать и масштабировать процесс.

Для перевода процесса из периодического режима в проточный также требовался быстрый, надёжный и непрерывный метод контроля за ходом реакции, главным образом, за конверсией реагентов и выходом продукта реакции.

«Благодаря короткому времени измерения, простоте и высокой чувствительности Раман спектроскопии, мы использовали её 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 н.с. МИИИМ ЮФУ к.ф.-м.н. Андрей Терещенко.

«Это важный шаг для возможности многократной рециклизации катализатора. Дело в том, что катализаторы не могут работать бесконечно — рано или поздно они дезактивируются. Поэтому в реальных процессах необходимо отслеживать конверсию реагентов на каждом цикле. Ручной отбор проб и их анализ занимает больше времени, чем сама реакция. Поэтому непрерывный анализ внутри реакционного сосуда (в нашем случае — трубки) принципиально важен для создания автономной установки. Теперь же у нас есть практически полностью автоматизированная установка для рециклизации катализатора и оценки количества продуктов, которые мы получаем», — отметила н.с. ИНЭОС РАН и ИНХС РАН к.х.н. Ирина Гончарова.

Эффективность реакции в проточных микрофлюидных системах не уступает периодическим реакторам, реакция протекает менее чем за 5 мин. Это позволяет легко масштабировать реакцию и значительно понизить энерго- и трудозатраты, сделав серьёзный шаг к автоматизации процессов, сказано в исследовании.

«Разработанные решения применимы и для других многофазных химических процессов, в том числе для производства ряда мало- и крупнотоннажных продуктов. Наша лаборатория в сотрудничестве с ведущими институтами РАН непрерывно модернизирует разрабатываемые микрофлюидные устройства и программное обеспечение под новые научные задачи», — добавил руководитель молодёжной лаборатории ЮФУ д.ф.-м.н. Александр Гуда.

Исследования проводились при поддержке гранта Приоритет 2030 ЮФУ (руководитель профессор д.ф.-м.н Солдатов А.В.) и Минобрнауки РФ (от 24.04.2024, № 075–15-2024–547, руководитель академик д.х.н. Белецкая И.П.).