Naukowcy związani z Uniwersytetem Śląskim: dr Maciej Kapkowski, mgr Judyta Popiel, mgr Monika Słota, prof. zw. dr hab. inż. Jarosław Polański, dr Jacek Bogocz oraz mgr Kamila Czerny opracowali nowe sposoby utylizacji alkoholi mono- i dihydroksylowych oraz gliceryny. Metody te zostały objęte ochroną patentową.
Jednym z przedmiotów badań naukowców związanych z Zakładem Chemii Organicznej Uniwersytetu Śląskiego jest kataliza chemiczna. – Kataliza stanowi centrum naszego zainteresowania, gdyż w bezpośredni sposób przekłada się na jakość życia ludzi. Obecność katalizatorów wpływa m.in. na redukcję ilości szkodliwych spalin w samochodach, większą dostępność taniej żywności na sklepowych półkach, nowe farmaceutyki poprawiające nasze zdrowie, wszystko wyłącznie dzięki możliwości kontroli reakcji chemicznych. Kataliza jest również niezbędna do rozwoju zrównoważonej gospodarki. Znamiennym przykładem jest fakt, iż tylko w USA wkład w produkt krajowy brutto przemysłu naftowego, chemicznego i farmaceutycznego wynosi łącznie ok. 500 miliardów dolarów – mówi dr Maciej Kapkowski, członek zespołu badawczego.
Mikrofotografie z TEM (Transmisyjny Mikroskop Elektronowy) nanocząstek Au dla katalizatorów o nominalnym stężeniu złota na nośniku 0.1% Au/SiO2 (a, b), 1.0% Au/SiO2 (c).
Oprac. prof. dr hab. Józef Lelątko
Obecnie przed naukowcami stoi wiele wyzwań w dziedzinie katalizy. Dotyczą one głównie takich zagadnień, jak: opracowanie technologii otrzymywania paliw z biomasy, redukcji szkodliwych produktów ubocznych powstających w procesach przemysłowych czy oczyszczania środowiska i zapobiegania jego ponownemu zanieczyszczeniu w przyszłości. Ponadto opracowanie nowych technologii z udziałem katalizatorów może przyczynić się do redukcji skutków globalnego ocieplenia oraz uproszczenia i zwiększenia bezpieczeństwa procesów otrzymywania leków.
Prace naukowców związanych z Uniwersytetem Śląskim wpisują się w światowe trendy badawcze, dotyczą bowiem opracowania m.in. selektywnych nanokatalizatorów metali szlachetnych (Au, Ag, Pd, Cu) oraz wykorzystujących je technik przetwarzania alkoholi, aby w wyniku tego procesu uzyskać pochodne o nowych zastosowaniach. Efektem prowadzonych badań jest opatentowany sposób utylizacji alkoholi mono- i/lub dihydroksylowych i/lub gliceryny.
Zaletą prostych alkoholi mono- i dihydroksylowych jest to, iż będąc produktami o niskiej wartości handlowej, stanowią materiał wyjściowy do produkcji innych chemikaliów: głównie pochodnych kwasów karboksylowych i aldehydów. Alkohole monohydroksylowe, np. etanol, stosowane mogą być jako rozpuszczalniki w reakcjach chemicznych zachodzących w procesie wytwarzania chemikaliów codziennego użytku. Z kolei alkohole dihydroksylowe, np. glikol etylenowy, znajdują zastosowanie w płynach niezamarzających do chłodnic silników oraz – jako czynnik pośredni – w instalacjach chłodniczych. Gliceryna natomiast stanowi produkt uboczny w procesie produkcji biopaliw. Wprost proporcjonalnie do szerokiego spektrum zastosowań alkoholi w różnych gałęziach gospodarki narasta problem utylizacji powstających odpadów pochodzących zarówno z przemysłowego, jak również indywidualnego ich użytkowania.
Alternatywą dla kosztownej utylizacji odpadów poprodukcyjnych jest ich utlenianie. W wyniku tego procesu istnieje możliwość odzyskania prostszych substancji chemicznych wykorzystywanych w przemyśle.
Zestaw do utleniania alkoholi powietrzem. Reakcję utleniania propano-1,2-diolu (glikol propylenowy) prowadzono dla 20 mg odpowiednio 0.1% Au/SiO2 oraz (1.0% Au; 1.0% Pd)/SiO2 w temp. 80°C przez 24 h, 300 obr/min
Fot. dr Maciej Kapkowski
Użytecznym produktem utleniania prostych alkoholi mono- i dihydroksylowych oraz gliceryny jest kwas octowy. Znajduje on szerokie zastosowanie w przemyśle, między innymi w syntezie organicznej, do produkcji sztucznego jedwabiu, leków (aspiryny), niepalnej taśmy filmowej i esencji octowej, może służyć w technice grzewczej do usuwania kamienia kotłowego oraz jako substancja konserwująca w przemyśle spożywczym.
Zestaw do utleniania alkoholi 30% H2O2 w fiolkach reakcyjnych zamykanych septą. Reakcję utleniania etano-1,2-diolu (glikol etylenowy) prowadzono dla 20 mg odpowiednio 0.1% Au/SiO2 w temp. 95°C przez 24 h, 300 obr/min
Fot. dr Maciej Kapkowski
Stosowane obecnie klasyczne katalizatory heterogeniczne i nanokatalizatory znane z dotychczasowego stanu wiedzy mają wiele ograniczeń zastosowania – służą zazwyczaj do przetwarzania tylko wybranych alkoholi, wymagają zastosowania wysokich temperatur rzędu 275–320°C oraz wysokich wartości ciśnień rzędu około 200 barów, a także wykorzystania bardziej skomplikowanych nośników. Naukowcy tworzący zespół patentowy zajęli się wobec tego opracowaniem nowego, bardziej efektywnego sposobu umożliwiającego utylizację wybranych alkoholi monohydroksylowych i polioli, jak również ich mieszanin, której głównym produktem będzie kwas octowy. Niewątpliwą zaletą zastosowanych w sposobie według wynalazku katalizatorów jest ich heterogeniczna forma łatwa do oddzielenia od mieszaniny poreakcyjnej, możliwość wielokrotnego użycia, selektywność utleniania głównie do kwasu octowego oraz kilku produktów ubocznych, a także niewielka zawartość nanometalu na nośniku oraz funkcjonalność w niskiej temperaturze i ciśnieniu, w których zachodzi reakcja.