Разработка технологии получения фильтрационных мембран на основе нанопористых полимерных материалов для выделения и рециркуляции гомогенных катализаторов в процессах гидроформилирования для нефтехимии и органического синтеза

1.1. Для достижения цели ПНИЭР, которая состоит в разработке технологических решений по получению фильтрационных мембран на основе нанопористых полимерных материалов для выделения и рециркуляции гомогенных катализаторов в процессах нефтехимии и органического синтеза, необходимо решить следующие задачи: (1) Получить нанопористые полимерные материалы с заданными свойствами. (2) На их основе создать фильтрационные мембраны. (3) С использованием фильтрационных мембран произвести выделение и рециркуляцию гомогенных катализаторов. 1.2. Целью работы является разработка технологии получения фильтрационных мембран на основе нанопористых полимерных материалов с общей пористостью селективного слоя не менее 20% и превосходящих по проницаемости, как минимум, в 1,5 раза существующие аналоги для эксплуатации в жидких средах, в частности для выделения и рециркуляции гомогенных катализаторов в процессах нефтехимии и органического синтеза с селективностью выделения не менее 95%.

2.1. В результате экспериментальных и теоретических исследований будут определены оптимальные сочетания эксплуатационных характеристик нанопористых полимерных материалов, включая высокие механические и пленкообразующие свойства, высокую пористость материала. Будет разработана математическая модель процесса нанофильтрационного рециркулирования гомогенного катализатора гидроформилирования. Будет установлено влияние условий формования нанофильтрационных мембран на их физико-химические и разделительные свойства. Будут определены физико-химические свойства, активность и стабильность в реакционных условиях перспективных гомогенных катализаторов в процессах гидроформилирования. Будут выявлены оптимальные условия проведения процесса гидроформилирования.
2.2. В части нанофильтрационных мембран будут получены экспериментальные образцы, обладающие следующими характеристиками:
- проницаемость по целевому растворителю (спирты и альдегиды С4-С10) от 0,1-1 л/м2 ч атм;
- порог отсечения по молекулярной массе от 700 Дальтон (г/моль);
- порог отсечения по размеру частиц от 2 нм;
- стойкость и стабильность фильтрационных мембран в среде, содержащей растворитель, субстраты и продукты (олефины, спирты и альдегиды С4-С10).
В части перспективных гомогенных катализаторов будут получены экспериментальные образцы со следующими характеристиками:
- размер каталитически активного комплекса - не менее 2 нм.
- диапазон стабильной работы - давление синтез-газа от 5 до 100 атм. и температура 50-120 ⁰С.
- активность катализатора при превращении гексена - не менее 1000 моль продукта на моль металла в час;
- селективность по альдегиду нормального строения - не менее 75%
2.3. Преимущества разработанных технологических решений по созданию фильтрационных мембран на основе нанопористых полимерных материалов будут заключаться в первую очередь в технологическом упрощении получения мембран за счет их формования из раствора полимера по сухому способу. Составы и способы получения фильтрационных мембран позволят иметь им высокие значения проницаемости по целевому растворителю, высокую селективность процесса – пороги отсечения по молекулярной массе и по размеру частиц, высокую стойкость и стабильность в среде спиртов и альдегидов.
2.4. На сегодняшний день полимерные материалы, на базе которых созданы нанофильтрационные мембраны для неводных сред, можно разделить на три класса: высокопроницаемые каучуки (сшитые силиконовые каучуки, полиуретаны; мембраны композиционного типа), низкопроницаемые полимерные стекла (прежде всего, полиамиды, полиимиды, полисульфоны, регенерированная целлюлоза; мембраны асимметричного типа) и высокопроницаемые полимерные стекла (прежде всего, полиацетилены; мембраны композиционного типа).
В рамках проекта предполагается создать мембраны на основе стеклообразных полимеров с высокой долей неотрелаксированного свободного объема. Благодаря высокой жесткости основной цепи нанопористая структура (на уровне 1 нм) самопроизвольно формируется при отливке сплошных мембран, что существенно упрощает процесс производства мембран на их основе. При этом занимающие лидирующие позиции на мировом рынке линейки фильтрационных мембран, например DuraMem и StarMem на основе полиимидов или ПДМС (компания «Evonik»), продукция компании SolSep, отличаются высокой стоимостью, а их ограниченный ассортимент не всегда позволяет получить необходимые для промышленной реализации характеристики разделения.
2.5. Заявленные результаты будут достигнуты за счет формования нанофильтрационных мембран из раствора полимера по сухому способу, а также благодаря составу и способу получения нанопористых полимерных материалов с заданными свойствами. Стабильные и каталитически активные комплексы будут иметь размер не менее 2 нм, что позволит отделять эти гомогенные катализаторы гидроформилирования с высокой селективностью. Работа выполняется консорциумом исполнителей - МГУ и ИНХС РАН. Коллектив исполнителей имеет огромный опыт в исследованиях реакции гидроформилирования и создании фильтрационных мембранных материалов, организации имеют хорошую материально-техническую базу, а также доступ к научному оборудованию Центров коллективного пользования. Поэтому, риск того, что запланированные результаты не будут достигнуты, минимален.

3.1. Области применения - нефтехимия, органический синтез.
3.2. Разрабатываемая продукция может быть востребована при синтезе высших альдегидов и спиртов линейного строения для нефтехимической отрасли.
3.3. Выполнение ПНИЭР с достижением заявленных результатов открывает перспективу для получения фильтрационных мембран для задач разделения в органических средах как катализаторов, так и наночастиц, и обладают рыночным потенциалом. Разрабатываемый процесс может быть реализованы для синтеза высших альдегидов и спиртов линейного строения для нефтехимической отрасли. Таким образом, он повлияет на структуру производства и потребления продукции, созданной на основе высших альдегидов и спиртов линейного строения.

Были проведены аналитический обзор информационных источников и патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96 в области выделения и рециркуляции гомогенных катализаторов в процессах гидроформилирования для нефтехимии и органического синтеза.
Разработаны эскизы конструкторской документации на лабораторный стенд для получения нанофильтрационных мембран на основе нанопористых полимерных материалов. Разработан лабораторный регламент получения нанопористых полимерных материалов
Разработаны программы и методик испытаний экспериментальных образцов нанопористых полимерных материалов.
Разработан лабораторный регламент синтеза лигандов.
Разработаны программы и методики испытаний перспективных гомогенных катализаторов гидроформилирования нефтехимии и органического синтеза. Были наработаны экспериментальные образцы лигандов для перспективных катализаторов гидроформилирования для нефтехимии и органического синтеза. Выполнены работы по обоснованию, выбору и приобретению материалов для синтеза нанопористых полимерных материалов. Проведены исследования по наработке мономеров для синтеза нанопористых полимерных материалов. Проведены исследования по синтезу компонентов комплексов – перспективных катализаторов. Разработана методика анализа продуктов реакции гидроформилирования