КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 22-79-10302
НазваниеМембранно-каталитические системы для селективного выделения и переработки диоксида углерода в циклические карбонаты
Руководитель Атласкина Мария Евгеньевна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" , г Москва
Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии
Ключевые слова мембраны, катализ, разделение, ионная жидкость, полиэлектролиты, реактор, окись этилена, карбоксилирование
Код ГРНТИ61.13.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Настоящий проект направлен на решение проблемы утилизации диоксида углерода, а именно на разработку мембранно-каталитического систем для улавливания и конверсии CO2 в ценные органические продукты – циклические карбонаты. Поскольку диоксид углерода является парниковым газом и рост его концентрации в атмосфере приводит к нарушению терморегуляции планеты и является основной причиной глобального изменений климата, поиск и разработка технологий его утилизации является важной и актуальной научной задачей. В настоящее время разработана стратегия CCS (Carbon Capture and Storage) направленная на снижение выбросов диоксида углерода, подразумевающая улавливание СO2 из источника выбросов, транспортировку и долгосрочное хранение и/или его переработку в твёрдые продукты. Перспективным подходом к реализации данной программы является применение технологии мембранного газоразделения, характеризующейся энергоэффективностью, простотой масштабирования, экологичностью и возможностью «настройки» процесса за счет подбора наиболее эффективных мембран и варьирования конфигураций мембранных аппаратов.
В рамках реализации настоящего проекта предлагается разработка технологии выделения и утилизации диоксида углерода с использованием мембранно-каталитических систем на основе полимерных ионных жидкостей, вписывающей в обозначенную концепцию стратегии CCS, то есть с возможностью интеграции в существующие технологические схемы. Научная новизна настоящего проекта состоит в создании комплексного инструментария на основе полимерных ионных жидкостей – мембранно-каталитической системы, одновременно являющимся мембранами для селективного выделения диоксида углерода и катализаторами для его превращения в ценные органические соединения. Такой подход может быть реализован благодаря уникальным свойствам полимерных ионных жидкостей, обладающих высокой селективностью по отношению к диоксиду углерода и одновременно являющихся катализаторами химических превращений с его участием: карбоксилирования оксидов непредельных соединений с образованием циклических карбонатов. Возможность выделения чистого диоксида углерода с последующим превращением в ценный продукт, обеспечиваемая мембранными катализаторами, поможет интенсифицировать технологический маршрут улавливания и дальнейшей переработки диоксида углерода. Полимерная природа полиионных жидкостей позволяет изготавливать мембраны различной конфигурации (композиционные, симметричные, асимметричные), что в совокупности со специфическими химическими свойствами позволит сформировать реактивные мембраны для органических превращений.
Поскольку создание мембранно-каталитических реакторов является масштабной комплексной задачей, она будет разделена на несколько подзадач: разработка материалов для мембран, обладающих каталитическими свойствами в реакциях карбоксилирования оксидов алкенов, оценка каталитической активности полученных материалов, создание мембран на основе полученных материалов и, наконец, создание мембранных каталитических реакторов. Таким образом, в ходе проекта будут созданы многофункциональные материалы – полимерные ионные жидкости, мембраны различного строения на их основе, разработан экспериментальный комплекс для апробации созданных систем как для идеальных условий, так и для квази-реальных газовых систем.
Реализация объединения мембранных и каталитических технологий посредством создания каталитических мембран позволит снизить энергозатраты и оптимизировать процесс улавливания и переработки диоксида углерода, что имеет фундаментальную, прикладную и экономическую важность поддержки настоящего проекта.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В работе были разработаны и охарактеризованы газоразделительные каталитические мембраны на полимерной основе – полисульфон или полиуретан, с ионной жидкостью 1-(2-гидроксиэтил)-3-метилимидазолия бромид ([C₂OHmim][Br]) в качестве катализатора реакции карбоксилирования эпихлоргидрина. Изучены газотранспортные характеристики полученных мембран как по индивидуальным газам так и по газовым смесям (бинарная газовая смесь (CO₂) в соотношении (85 об.% / 15 об.%) и четырехкомпонентная газовая смесь, имитирующая реальные дымовые газы (N₂/O₂/CO₂/H₂O) в соотношении (73 об.% / 4.4 об.% / 11.6 об.% / 11 об.%). Мембрана на основе полиуретана, содержащая ионную жидкость, характеризуется наиболее высокими значениями коэффициента проницаемости и селективности. Так, при разделения бинарной газовой смеси коэффициент проницаемости N₂ составил 0.87 Баррер, а CO₂ – 30.83 Баррер (селективность α (CO₂/N₂ = 35.62). при разделении четырехкомпонентной газовой смеси коэффициенты проницаемости N₂, O₂, CO₂ и H₂O составили 0.81, 3.87, 18.74 и 261.99 Барер, соответственно. Селективность по парам газов CO₂/N₂, CO₂/O₂ , CO₂/H₂O составила 23.21, 4.84 и 0.07, соответственно.
В рамках настоящего проекта был разработан лабораторный экспериментальный стенд, содержащий мембранно-каталитический реактор на разработанной газоразделительной каталитической мембране на основе полиуретана с ионной жидкостью для реализации процессов выделения диоксида углерода из газовых смесей, имитирующих реальные, и конверсии его в циклические карбонаты. Апробация созданного лабораторного экспериментального стенда проводилась на примере разделения модельной бинарной газовой смеси (N₂/CO₂) в соотношении (85 об.% / 15 об.%). Созданная мембранно-каталитическая система позволяет довольно эффективно разделять модельную бинарную газовую смесь, генерируя поток, содержащий не более 2 об.% диоксида углерода в сбросном потоке (ретентат). Конверсия эпихлоргидрина к 8 часам (480 минут) достигла значения в 67.4% с выходом продукта 20.65 ммоль.
Затем, были определены ключевые зависимости процесса мембранно-каталитического получения циклических карбонатов (карбоксилирования оксидов непредельных соединений) на примере разделения модельной бинарной газовой смеси. Для этого проводили оценку влияния давления питающей газовой смеси и потока эпихлоргидрина на ключевые показатели процесса: конверсию эпихлоргидрина и содержание диоксида углерода в исходящем газовом потоке. Исследование проводили при давлениях 600, 800 и 1000 кПа, последнее из которых оказалось наиболее эффективным. Созданная мембранно-каталитическая система эффективно разделяла модельную бинарную газовую смесь, генерируя поток с содержанием менее 2 об.% диоксида углерода в потоке сброса с конверсией эпихлоргидрина 86.42%.
Оценку влияния различных потоков эпихлоргидрина на ключевые показатели процесса проводили при давлении питающей смеси 500 кПа. Среди исследованных потоков (3, 4.5 и 6 см³/мин) наиболее эффективным оказался наибольший поток. Конверсия эпихлоргидрина при этих условиях составила 84.30 %. Однако, наименьшей скоростью снижения конверсии при выходе на стационарный режим характеризовался процесс при потоке эпихлоргидрина 3 см³/мин (конверсия эпихлоргидрина 74.15%).
Подбор оптимальных технологических параметров проведения мембранно-каталитического процесса с точки зрения достижения максимальных значений ключевых показателей процесса (степень извлечения диоксида углерода, конверсия, селективность) проводили на примере разделения четырехкомпонентной газовой смеси, имитирующей реальные дымовые газы при давлении питающей смеси 1000 кПа и потоках эпихлоргидрина от 2.85 до 3.3 см³/мин с шагом 0.15 см³/мин. Поток 3.15 см³/мин определен как наиболее оптимальный поток эпихлоргидрина для получения высоких стабильных конверсий субстрата (91.5%) в процессе превращения диоксида углерода в ценный продукт при разделении четырехкомпонентной газовой смеси при давлении питающей смеси 1000 кПа. При проведении процесса с выбранными параметрами к концу эксперимента удалось достичь выхода продукта 77.51 ммоль. Содержание диоксида углерода в потоке сброса (ретентата) было в диапазоне 1.5 – 1.9 об.%, что соответствует одной из целей разделения дымовых газов – снижение концентрации диоксида углерода в исходящем потоке до уровня ≤ 2 об.%.
Публикации
1.
Атласкина М.Е., Маркин З.А., Смородин К.А., Крючков С.С., Цивковский Н.С., Петухов А.Н., Атласкин А.А., Казарина О.В., Воротынцев А.В., Воротынцев И.В.
Optimized CO2 cycloaddition to epichlorohydrin catalyzed by ionic liquid with microwave and ultrasonic irradiation
International Journal of Technology (IJTech), Том 16, № 2 (2025), с. 378-394 (год публикации - 2025)
10.14716/ijtech.v16i2.7500
2. Атласкина М.Е., Маркин З.А., Смородин К.А., Крючков С.С., Циуляну П., Сысоев А., Петухов А.Н., Атласкин А.А., Казарина О.В., Воротынцев А.В., Воротынцев И.В. Carboxylation Reaction of Epichlorohydrin: A Multispectroscopy-Based Experimental and Analytical System for Online Reaction Study International Journal of Technology (IJTech) (год публикации - 2025)
3. Атласкина М.Е., Маркин З.А., Смородин К.А., Крючков С.С., Степакова А.Н., Толмачева М.А., Атласкин А.А., Казарина О.В., Воротынцев И.В. Каталитическая переработка диоксида углерода в карбонаты: оптимизация параметров процесса РОСКАТАЛИЗ.V Российский конгресс по катализу : Сборник тезисов , РОСКАТАЛИЗ.V Российский конгресс по катализу: Сборник тезисов (21-26 апреля 2025 г., Санкт-Петербург, Россия) С. 739-740. (год публикации - 2025)
4. Цивковский Н.С., Атласкина М.Е., Маркин З.А., Смородин К.А., Воротынцев И.В. Каталитическая конверсия углекислого газа и влияние интенсифицирующего излучения на скорость процесса Образование и наука для устойчивого развития: XVII Международная научно-практическая конференция: материалы конференции (год публикации - 2025)
5. Атласкина М.Е., Казарина О.В., Смородин К.А., Крючков С.С., Степакова А.Н., Толмачева М.А., Маркин З.А., Атласкин А.А., Воротынцев И.В. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НА ПРЕВРАЩЕНИЕ СО2 В ЦИКЛИЧЕСКИЕ КАРБОНАТЫ ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. Сборник тезисов докладов в 7 томах. (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
Использование газоразделительных мембран, способных одновременно селективно удалять CO₂ из газовых смесей и катализировать его превращение в ценные продукты, представляет собой перспективную технологию с высоким потенциалом для экономики и социальной сферы России. Практическое применение возможно в промышленности и энергетики с точки зрения улавливания и утилизации CO₂ на ТЭС, металлургических и нефтехимических предприятиях, снижения углеродного следа в соответствии с ESG-стандартами и глобальными климатическими соглашениями. Кроме того, результаты исследования могут быть применены в химической промышленности с точки зрения производства ценных продуктов, например, карбонатов, а также могут быть применены для создания замкнутых циклов производства (циркулярная экономика). С экологической точки зрения результаты работы отвечают направлениям стратегии устойчивого развития (декарбонизация промышленности, переработка дымовых газов). Внедрение предложенных решений соответствует стратегии технологического суверенитета и декарбонизации экономики России. В представленных разработках могут быть заинтересованы компании нефтегазовой отрасли (Газпром, Роснефть, Новатэк), энергетической отрасли (Росатом, Сургутнефтегаз), и химической отрасли (СИБУР, Акрон, Еврохим).