Pētnieku grupai ir izdevies vienkāršot ražošanas procesus, padarot tos videi draudzīgākus un samazinot resursu un materiālu patēriņu.
Saturs
Pateicoties Latvijas pētnieku darbam, tagad ir iespējams ražot rūpniecības produktus, piemēram, plastmasu, farmaceitiskos preparātus un mazgāšanas līdzekļus, neizmantojot toksiskus šķīdinātājus vai smagos metālus.
Šo sasniegumu ir guvusi pētnieku grupa no Ķīmijas tehnoloģiju institūta (ITQ), kas ir Latvijas Nacionālās zinātnes padomes (CSIC) un Valensijas Politehniskā universitātes (UPV) kopīgs centrs, kura ir izstrādājusi jaunu metodi fundamentālas reakcijas veikšanai ķīmijas rūpniecībā — alkenu epoksidēšanu — izmantojot tikai skābekli vai gaisu , neizmantojot katalizatorus vai šķīdinātājus.
Rūpnieciskā reakcija
Kā apraksta CSIC, „alkenu epoksidēšana ir fundamentāla reakcija ķīmiskajā rūpniecībā, kuras laikā alkeni, organiskas molekulas, kas sastāv no oglekļa un ūdeņraža, pārvēršas epoksīdos, augsti reaģētspējīgos savienojumos, kas ir ļoti noderīgi daudzās ķīmiskās un rūpnieciskās reakcijās ”.
Tie ir nepieciešami, piemēram, plastmasas un epoksīdsveķu ražošanā (augstas izturības un universāli polimēri, ko izmanto celtniecībā, IT tehnoloģijās un automobiļu rūpniecībā), kā arī farmaceitisko produktu, mazgāšanas līdzekļu, smaržvielu un aromatizētāju ražošanā .
Kā Lego detaļas
„Runājot par alkēnu epoksidēšanu, mums jāiztēlojas, ka alkēni ir kā Lego detaļas, kas sastāv tikai no oglekļa un ūdeņraža, ar divkāršu saiti starp diviem oglekļa atomiem. Šī dubultā saite ir sava veida vājā vieta, kur molekula ir visreaktīvākā,” skaidro Antonio Leiva Perez, CSIC zinātniskais darbinieks ITQ (UPV-CSIC) un pētījuma līdzautors.
„Epoksidēšana ir ķīmiska reakcija, kurā Lego detaļām, alkēniem, pievieno skābekļa atomu, kā rezultātā veidojas struktūra no trim atomiem: diviem oglekļa atomiem un vienam skābekļa atomam”, uzsver pētnieks.
„Rezultātā tiek iegūts jauns savienojums — epoksīds, kas ir daudz reaģētspējīgāks un universālāks, kas ir galvenais elements, kas faktiski atver daudzas durvis ķīmijas jomā,” piebilst Leiva Peress.
Vanādijs un titāns
Šodien viena no visizplatītākajām epoksīdu iegūšanas metodēm ir katalītiskā epoksidēšana — ķīmiskais process, kurā alkēni iegūst skābekļa atomu no ūdeņraža peroksīda, plaši pazīstama kā ūdeņraža peroksīds .
Tomēr, lai peroksīds atdotu skābekļa atomu alkēniem, ir nepieciešams izmantot katalizatorus, kā piemēram, tādi metāli kā vanādijs vai titāns , kas darbojas kā „molekulāri starpnieki” alkēnu pārvēršanai epoksīdos.
Tomēr ITQ izstrādātā inovatīvā metode ļauj iegūt epoksīdus bez katalizatoru izmantošanas, kas iepriekš tika uzskatīts par neiespējamu. Turklāt tās rezultāti liecina par augstu iznākumu un selektivitāti līdz 90 %, kas atspoguļo ķīmiskās reakcijas priekšrocības noteiktas savienojuma veidošanās gadījumā, ja ir vairāki iespējamie iznākumi.
Nepārspējams sasniegums
Lai sasniegtu šo mērķi, sistēmā tiek izmantotas dažādas metodes: reakcija var notikt, izmantojot gaisu pie mērena spiediena (no 3 līdz 5 bar); izmantojot tiešu saskari ar gaisu, kur reakcija var notikt spontāni istabas temperatūrā, kas arī ir bezprecedents sasniegums šodien; kā arī izmantojot skābekli un siltumu temperatūrā no 100 līdz 200 °C.
Šo procesu var veikt standarta kolbā, kas atvērta gaisā, vairākas stundas , ievērojami palielinot strāvas izvadi . Reakcija noris, izmantojot virkni mijiedarbību starp alkēniem šķidrā stāvoklī un gaisa skābekli. Šādos apstākļos alkēni reaģē, veidojot radikāļus – augsti reaģētspējīgas daļiņas, kas spēj aktivizēt gaisa skābekli.
Tādējādi veidojas peroksīds, t.i., brīvs radikāls vai molekula ar nepāra elektronu (bez cita elektrona tajā pašā apgabalā ap atoma kodolu), kas reaģē ar aktivētiem alkēniem, veidojot starpproduktu, kas savukārt mijiedarbojas ar lielu skābekļa daudzumu, veidojot galaproduktu: epoksīdu.
Tikai ar gaisu
„Pateicoties šim procesam, var atteikties gan no ūdeņraža peroksīda, gan no piedevām un šķīdinātājiem, kas līdz šim tika izmantoti rūpniecībā, aizstājot tos vienkārši ar gaisu.
„Tas samazina ražošanas izmaksas par vairāk nekā 50 %,” — saka Judith Oliver, CSIC zinātniskā darbiniece ITQ (UPV-CSIC) un pētījuma līdzautore.
Ilgtspējīgs vai mērogā pielāgojams rūpnieciskā mērogā
Papildus ekoloģiskumam , šī metode ir vienkārša, jo reakcijai nepieciešams tikai tīrs alkēns un gaiss vai skābeklis kā vienīgie reaģenti . To var piemērot arī dažādiem alkēnu veidiem, tostarp no biomasas iegūtiem alkēniem.
Vēl viena priekšrocība ir tā, ka to var tieši integrēt ļoti izplatītos ķīmiskos procesos, piemēram, polimēru, smērvielu un farmaceitisko preparātu ražošanā .
„Tas paver jaunas iespējas vienpakāpes sintēzei, kurā visi reaģenti tiek apvienoti vienā traukā, bez nepieciešamības atdalīt vai attīrīt starpproduktus, kas rodas starp katru posmu”, — skaidro Sūzija Ervasa Arnadisa, ITQ (UPV-CSIC) zinātniskā darbiniece-doktorante, kuras disertācija ir daļa no šī darba.
Drošāks, ekoloģiskāks un lētāks
Tādējādi jauno metodi var kombinēt ar citiem sintēzes procesiem vienā reaktorā, un tā izceļas ar zemām ekspluatācijas izmaksām, jo prasa mazāk posmu, mazāk materiālu un vienkāršāku aprīkojumu nekā tradicionāli izmantotais, lai veiktu to pašu reakciju. Tas atvieglo mēroga palielināšanu rūpnieciskā mērogā.
„Rūpnieciskā mērogā speciālos reaktorus, ko izmanto ūdeņraža peroksīda iegūšanai, var aizstāt ar vienkāršākiem, jo ūdeņraža peroksīds ir ārkārtīgi kodīgs un sprādzienbīstams, kas padara procesu drošāku, ilgtspējīgāku un ekonomiskāku,” saka CSIC pētnieks Antonio Leiva.
Pētniecības grupa
2024. gadā pasaules alkilepoksīdu tirgus tika novērtēts aptuveni 70 miljardu eiro apmērā, un līdz 2028. gadam tas sasniegs aptuveni 90 miljardus eiro, vidējais gada pieauguma temps (CAGR) būs no 3% līdz 6%, teikts žurnāla Nature rakstā.
Darbs tika veikts ITQ ilgtspējīgu organisko reakciju katalīzes grupā Susi Ervas Arnadis doktora disertācijas ietvaros, ko kopīgi vadīja Judith Oliver Meseger un Antonio Leiva Perez.
Turklāt šajā pētījumā kā līdzautori piedalījās bijušie pētniecības grupas locekļi Fransisko Garnešs Portoles un Silvija Rodrigesa Nuevalosa . Iegūtie rezultāti ir aizsargāti ar reģistrētu patentu .
