Науково-технічні розробки – ІСПЕ НАН України

РОЗРОБКИ ВІДДІЛУ СОРБЦІЇ ТА ТОНКОГО НЕОРГАНІЧНОГО СИНТЕЗУ

Сорбенти для видалення екологічних токсикантів з водних та грунтових середовищ

В продовження робіт, розпочатих під керівництвом першого завідувача відділу, засновника Інституту сорбції та проблем ендоекології академіка В.В. Стрелко, було розроблено метод одержання сорбентів на основі фосфатів цирконію і силікатів титану, нанесених на поверхню силікагелю та базальтового волокна. Проведено пілотні випробування з визначення ефективності використання одержаних сорбційних матеріалів у технологічному процесі очищення трапних вод (сумісно з державним спеціалізованим підприємством Чорнобильська АЕС);

Продовженням досліджень, пов’язаних зрозробленою та впровадженою технологією очищення підземних вод від сполук урану та важких металів за допомогою проникних реакційно-здатних бар’єрів, що велись під керівництвом завідувача відділу екологічної хімії Інституту сорбції та проблем ендоекології члена-кореспондента НАН України Б.Ю. Корніловича, було подальше проведення моніторингу підземних вод дніпропетровського регіону. Ефективність застосування проникних реакційних бар’єрів підтверджена дослідно-промисловою перевіркою в українському центрі урановидобувної та переробної промисловості – місті Жовті Води.

Вміст урану в підземних водах (мг/дм^³)

Номер потоку	I	II	III	IV
*Перед ПРБ*	0.12	0.12	0.10	0.11
*Після ПРБ*	0.03	0.04	0.10	0.11

Розроблено метод синтезу гранульованого магній силікатного сорбенту з розвинутою поруватою структурою та високою адсорбційною ємністю щодо катіонів кобальту та нікелю. Матеріал також тестовано у процесах вилучення арсенат-іонів з природної мінералізованої води (м.Кваси, Закарпатська область).

Фотографія та мікрофотографія (СЕМ) магній силікату та ізотерма сорбції арсенат-іонів з природної високомінералізованої води.

Розроблено методику одержання ефективних сорбційних матеріалів на основі каоліну вітчизняного походження (геополімери), які вилучають іони цезію, міді, кадмію та свинцю з водних розчинів з високою сорбційною ємністю;

Два типи отриманих геополімерів і результати сорбційних випробувань зразку 1 при вилученні іонів важких металів з водних розчинів.

На основі сорбційного матеріалу рослинного походження та природної асоціації мікроорганізмів розроблено біоактивний сорбційний комплекс Агродетокс для очищення грунту від пестицидів. Дослідно-промислові випробування показали можливість відновлення родючості грунтів, одержання екологічно чистої та якісної сільськогосподарської продукції, очищення вод меліоративних систем, усунення накопичення агрохімічних забруднювачів ґрунту.

В рамках виконання конкурсної тематики синтезовано зразки літійованих оксидів мангану та титану, які є прекурсорами для одержання високоселективних сорбентів для концентрування літію з природних ресурсів.

Розробки відділу гетерогенного кислотно-основного каталізу

Керівник розробок: член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, професор Володимир Вікторович Брей

телефон: + 380 66 232 78 39
е-mail:brei@ukr.net

1. Виробництво етилацетату з етанолу*

2С₂Н₅ОН = СН₃СООС₂Н₅ + 2Н₂

Як вихідна речовина використовується виключно етиловий спирт, при цьому з 1 тони переробленого етанолу виробляється 820 кг етилацетату і генерується 970 м³ водню, що знижує енергозатрати виробництва.

Розроблено каталізатор що забезпечує 43% конверсію етанолу з 84% селективністю за етилацетатом. 57% етанола повертається в рецикл.

Умови процесу:

1-й реактор 230-240 ⁰С/4-6 бар

2-й реактор 160-180 ⁰С/12-16 бар

Процес протестовано на дослідній установці та розроблено технологію на одержання етилацетату (50 000 тон/рік)

*Спільно з ТОВ Виробнича група «Техінсервіс»

2. Одностадійний процес одержання н-бутанолу з біоетанолу*

Бутанол – багатотоннажний базовий продукт хімічної промисловості (4 млн т/рік, щорічний приріст 3.5- 4%) з широким спектром використання.

Основний промисловий спосіб одержання бутанолу через оксо-синтез базується на використанні пропілену і синтез-газу:

С₃Н₆+ СО + 2Н₂ = С₄Н₉ОН

Альтернативою є одержання бутанолу з етанолу за реакцією Гербе:

2С₂Н₅ОН = С₄Н₉ОН + Н₂О

Розроблено селективний каталізатор синтезу н-бутанолу з біоетанолу.

Умови процесу: подача етанолу – 1.6 кг/кгкат/год,
температура 240С, тиск водню 0.5 МПа.
Вихід бутанолу по витраченому етанолу –
72% (89% від теоретичного).

Процес апробовано в дослідній установці з виділенням товарного 99% н-бутанолу

* Спільно з ТОВ Виробнича група «Техінсервіс»

3. Новий НРРОа процес одержання пропілен оксиду з пропілену і пероксиду водню
C₃H₆ + H₂O₂ = C₃H₆O + H₂O

Впровадження нової технології виробництва пропіленоксиду

Інститутом сорбції та проблем ендоекології НАН України спільно з ТОВ “Виробнича група Техінсервіс” та ТОВ “Карпатнафтохім” розроблено та впроваджено нову НРРОа технологію одержання пропіленоксиду з пропілену та пероксиду водню. Суть нової технології полягає в заміні токсичного метанолу як розчинника в реакції епоксидування пропілену на доступний ацетонітрил, використанні запропонованого каталізатора TІS-1, триреакторного блока з роздільним поданням пероксиду водню, абсорбера для насичення азеотропного ацетонітрилу пропіленом, застосуванні моноетаноламіну замість токсичного гідразингідрату для глибокого очищення товарного пропіленоксиду.
За участі вчених Інституту на ТОВ “Карпатнафтохім” (Калуш)_ здійснено в 2021 році запуск пілотної установки потужністю 2 тис. тоннОП/рік.

4. Технологія одержання мономерного лактиду з гліцерину

Спільно з ТОВ «Виробнича група Техінсервіс» розроблено нову технологію одержання мономерного лактиду з гліцерину. Спроектовано установку переробки гліцерину потужністю 3200 т/рік з виробництвом 1100 т лактиду.

Розробки відділу окислювальних гетерогенно-каталітичних процесів

Керівник розробок:
член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, профессор

Зажигалов Валерій Олексійович

телефон: + 38 (044) 594 13 74,
факс: + 38 (044) 594 01 39,
е-mail: ispe@ispe.kiev.ua

1. Розроблено механохімічний спосіб одержання молібдату вісмуту у вигляді нанорозмірних сфер (рисунок).

Синтезовані композити є ефективними каталізаторами одержання 1,3-бутадієну шляхом окиснення фракції крекінгу нафти з показниками вищими ніж у відомих світових аналогів (таблиця)

Каталізатор	Т_р., ºС	Х, %	S_C4H6, %	Y_C4H6, %
Bi₂Mo₃O₁₂, MXO, 8 год	450	55	79	43
Bi₂Mo₃O₁₂, MXO, 12 год	440	58	84	49
BiMoO (USPat 8003840,2011)	475	45	90	41
BiMoO+NiO,FeO (WOPat 2008/147055A1)	475	38	91	35

2. Розроблено механохімічний спосіб одержання бета-фази молібдату цинку (b-ZnMoO₄) у вигляді нанорозмірних стержнів (рисунок)

Синтезована нано-фаза є ефективним каталізатором окиснення біоетанолу в оцтовий альдегід (таблиця) з показниками вищими за світові аналоги. Одержані результати дозволяють запропонувати новий процес одержання оцтового альдегіду на базі етанолу для заміни відомого Вакер-процесу.

Каталізатор	Тр., С	Х, %	Y, %	G, моль/(кг год)
b-ZnMoO₄	230	100	96	4.5
J.C.Gebers et al., ACSEng. Au, 2023, p.184	260	97	88	3.2

3. Розроблено механохімічний метод синтезу наноструктур типу ядро-оболонка, в яких оболонкою є аморфний шар оксиду молібдену, а в якості ядра – нанокристалічні оксиду церію, цирконію та титану (рисунок)

Синтезовані наноструктури є ефективними каталізаторами окиснення етану до оцтової кислоти (MoO₃/CeO₂), пропану до акрилової кислоти (MoO₃/ZrO₂) та бензолу до фенолу при окисненні киснем повітря (MoO₃/TiO₂) – (таблиця)

Каталізатор	С₂Н₆ + О₂ = СН₃СООН			C₃H₈ + O₂ = CH₂=CH-COOH			C₆H₆ + O₂ = C₆H₅OH
Каталізатор	Тр, °С	Y, %	G, моль/ (кг год)	Tp, °C	Y, %	G, моль/ (кг год)	Tp, °C	Y, %	G, моль/ (кг год)
MoO₃/CeO₂, MXO	350	34	3,1	–	–	–	–	–	–
Sn-Mo-O [1]	275	33	2,8	–	–	–	–	–	–
MoO₃/ZrO₂, MXO				375	27	1,8	–	–	–
Mo-V-Sb-Nb-Zr-O, (J.Dubois et al. USPat.7332625, 2008)				350	24	1,2	–	–	–
MoO₃/TiO₂, MXO							350	35	2,2
V-Mo-O/TiO2(W.Kun et al., US Pat. 9029612, 2015)							400	14	0,9

[1] S.Mostrou et al., Chem. Comm., 2019, v.55, p.11811

4. Синтезовано нано-композити зі структурою типа «пиріг» з нанокристалічними оксидами (рисунок) шляхом механохімічної обробки оксидів металів, які є активними каталізаторами фотодеструкції медичних препаратів в воді (таблиця)

Каталізатор	Медпрепарат
	Метронідазол		Новокаїн		Хлорафінекол
	k_D 10³, c^-1	X, %	k_D 10³, c^-1	X, %	k_D 10³, c^-1	X, %
ZnO/WO₃	1.3	100
Р25+WO₃ (Molecules, 2021)	0.8	82
ZnO/TiO₂			1.7	100
BiOS –USPat.9409791, 2016			–	94
ZnO/CuO					0.9	85
TiO₂/Si₃N₄ (Sigma J.Eng. Nat.Sci., 2024)					0.6	78

5. Розроблено спосіб одержання нанорозмірної фази альфа-молібдату цинку (a-ZnMoO₄) шляхом сонохімічної обробки оксидів у вигляді нано-голок (рисунок), який виявився активним каталізатором окиснення біоетанолу до оцтової кислоти (таблиця)

Каталізатор	Вихід, %	Y, моль.(кг год)
a-ZnMoO₄	25	4.3
US Pat. 2010/0120775	19	3.1

6. Розроблено сольвотермальний синтез V₂O₅-SiO₂ нано-каталізаторів (рисунок) ефективних в процесі окиснення метану до формальдегіду (таблиця)

Каталізатор	SSA, м²/г	X, %	S_ФА, %	G_ФА, моль/(кг год)
V₂O₅-SiO₂	750	18	19	9.2
VO_X/MCM -41 (Berndt H et al. J. Cat., 2010, v.275, p.187)	633	10	12	4.6

7. Розроблено ефективний фотокаталізатор розкладу пестицидів (прометрін, дифеноконазол, ципродиніл) в воді (таблиця) шляхом іонної імплантації титану на поверхню алюмінієвої фольги (28 х 10 см), який досліджено в модельному промисловому реакторі (рисунок)

Прометрін		Дифеноконазол		Ципродиніл
k_D 10³, c^-1	X, %	k_D 10³, c^-1	X, %	k_D 10³, c^-1	X, %
1.2	92	0.7	78	0.6	73

РОЗРОБКИ ВІДДІЛУ НАНОСТРУКТУРНИХ ВУГЛЕЦЕВИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ АККУМУЛЮВАННЯ ЕНЕРГІЇ

Керівник розробок:
доктор хімічних наук
Малєтін Юрій Андрійович

телефон: + 38 (044) 594 13 65,
факс: + 38 (044) 594 01 39,
е-mail: ispe@ispe.kiev.ua

Універсальні накопичувачі електроенергії (УНЕЕ) для широкого спектру застосувань

1. Суперконденсатори та суперконденсаторні модулі

У співдружності з компанією Юнаско-Україна розроблено технологію виготовлення одиничних елементів суперконденсаторів ємністю від 100 до 3000 Ф, а також модулів на їх основі. Ці пристрої пройшли випробування в незалежних лабораторіях США та Європи і продемонстрували вищі показники, ніж світові аналоги.

Переваги суперконденсаторів над акумуляторами:

висока питома потужність при високих значеннях ККД (відсутність охолодження, безпека використання);
практично необмежений строк служби – мільйон циклів заряд-розряд;
швидкий заряд – секунди (хвилини) в залежності від можливостей зарядного пристрою;
широких діапазон робочих температур – від -40 до +85 ^oС (є можливість розширити).

Суперконденсатори знаходять застосування як імпульсні джерела живлення, що працюють в секундному діапазоні (різні пускові пристрої, запуск двигунів, системи старт-стоп рекуперації енергії при гальмуванні в гібридних автомобілях, для переносного електрозварювального обладнання та ін.), а також в комбінації з акумуляторами або паливними елементами для згладжування пікових навантажень.
Суперконденсатори стрімко впроваджуються в транспорті (електричному і гібридному), промисловій та побутовій робототехніці. Суперконденсатори є перспективним джерелом електроживлення або накопичення електроенергії у smart grid системах та зеленій енергетиці.

2. Комбіновані джерела енергії

В комбінованому модулі суперконденсаторний блок з’єднується паралельно з акумулятором. В такій паралельній комбінації суперконденсаторний блок бере на себе основне навантаження і ефективно знімає пікові навантаження з акумуляторної батареї, і, таким чином, забезпечує більш тривалу і безпечну роботу.

3 Нові високоефективні електродні матеріали

Розроблено й оптимізовано методи мікрохвильової обробки нанопоруватих вугільних порошків, що дозволяють вибірково і з низьким ступенем обгара розвивати порувату структуру вугільного порошку, зокрема, збільшувати частку пор діаметром 1-2 нм, які найкращим чином відповідають розмірам і рухливості іонів в органічних електролітах, що застосовуються в суперконденсаторах і гібридних системах. Розроблено також методи модифікації поверхні вугілля гетероатомами азоту за допомогою мікрохвильової обробки сухих сумішей вугільного матеріалу і меламіну. Синтезовані вугільні матеріали були випробувані в дослідних зразках суперконденсаторів ємністю 200 Ф, виготовлення яких було виконано на Дослідному виробництві ТОВ «Юнаско-Україна». Запропоновані методи дозволяють значно скоротити час обробки і енерговитрати, а також збільшити на 20% енергоємність і робочу напругу суперконденсаторів (з 2,7 В до 3,0 В) при використанні модифікованих електродних матеріалів.


Гранули вихідного силікагелю (праворуч) і силікагелю з осадженим фосфатом цирконію у магнієвій формі (ліворуч).	1-Mg-Фосфат цирконію-Силікагель; 2-(Ba+Mg)-Фосфат цирконію-Силікагель; 3-Ва-Фосфат цирконію-Силікагель.