mgr inż. Marcin Muszyński



Promotor: dr hab. inż. Stanisław Gryglewicz

„Katalizatory do otrzymywania środków smarowych w reakcji transestryfikacji estrów metylowych kwasów karboksylowych”

Słowa kluczowe ciecze jonowe, superzasady, środki smarne, transestryfikacja, enzymy

Cele projektu

Powszechnie w procesach otrzymywania estrów wyższych alkoholi stosuje się kwaśne oraz zasadowe katalizatory homogeniczne. Posiadają one szereg wad wpływających na jakość produktu końcowego. Katalizatory kwaśne wymagają zastosowania wysokiej temperatury oraz długiego czasu reakcji. otrzymany produkt charakteryzuje się ciemną barwą i wymaga wieloetapowego procesu oczyszczania co wpływa negatywnie na cenę finalnego produktu. Zastosowanie katalizatora zasadowego pozwala na otrzymanie produktu w niższej temperaturze jednak również wymaga kosztownego procesu oczyszczania mieszaniny poreakcyjnej co w przypadku produktu o wysokiej lepkości jest szczególnie utrudnione.

Jednym z intensywnie badanych kierunków modyfikacji triglicerydów w celu uzyskania środków smarowych o polepszonych właściwościach użytkowych jest zastąpienie gliceryny (niestabilny termicznie fragment cząsteczki) innymi alkoholami takimi jak trimetylolopropan (TMP), glikol neopentylowy (GNP), 2-etyloheksanol (2-EH). Pozwala to na otrzymanie produktów o zróżnicowanych właściwościach fizykochemicznych [1,2].

Celem pracy jest otrzymanie nowych katalizatorów transestryfikacji pozwalających na efektywną syntezę estrów wyższych alkoholi i kwasów tłuszczowych znajdujących zastosowanie jako biodegradowalne środki smarowe. Katalizatory te pozwolą na otrzymanie produktu w niższej temperaturze i krótszym czasie niż stosowane obecnie układy katalityczne. Rozważa się przeanalizowanie możliwości zastosowania w badanym procesie transestryfikacji EMKT wyselekcjonowanymi alkoholami cieczy jonowych o charakterze zasadowym [3], zasad organicznych immobilizowanych na nośnikach polimerowych i nieorganicznych [4] jak i też preparatów enzymatycznych [5,6]. Właściwości wytworzonych katalizatorów powinny pozwolić również na wyeliminowanie lub ograniczenie operacji oczyszczania związanych z usuwaniem katalizatora z produktu. Immobilizacja katalizatorów na nośnikach stałych zapewni możliwość wielokrotnego wykorzystywania ich w kolejnych szarżach produkcyjnych.

Planowane metody i narzędzia badawcze

W pracy doktorskiej zostaną wykorzystane zasady organiczne o wysokim (> 20) współczynniku pKa, takie jak cykliczne pochodne amidyny i guanidyny, a także metyloimidazol. Wytypowane zasady organiczne wykorzystane zostaną w syntezie cieczy nowych jonowych. Proces otrzymywania przeprowadzony zostanie z wykorzystaniem metod opisanych w literaturze. Do tego celu wykorzystane zostaną halogenki alkilowe oraz perfluorowane alkohole i kwasy organiczne. Określona zostanie struktura otrzymanych związków z wykorzystaniem spektroskopii w podczerwieni oraz magnetycznego rezonansu jądrowego. Wyznaczone zostaną parametry charakteryzujące ciecze jonowe takie jak temperatura rozkładu z wykorzystaniem analizy termograwimetrycznej (TG-DTG), temperatura zeszklenia (metoda DSC) oraz pKa. Zbadany zostanie również wpływ anionu na zasadowość oraz aktywność katalityczną otrzymanych katalizatorów.

Otrzymane ciecze jonowe zostaną zastosowane jako katalizatory w reakcji transestryfikacji estrów metylowych kwasów tłuszczowych alkoholami takimi jak 2-etyloheksanol, 2,2-dimetylo-1,3-propanodiol (glikol neopentylowy), 2-etylo-2-(hydroksymetylo)-1,3-propanodiol (trimetylolopropan). Dla wytypowanych katalizatorów wyznaczone zostaną optymalne parametry prowadzenia procesu z wykorzystaniem statystycznych metod modelowania eksperymentu. Opracowane zostaną również metody wydzielania katalizatora z mieszaniny poreakcyjnej oraz przeprowadzone zostaną próby jego ponownego wykorzystania.

Przeprowadzone zostaną próby immobilizowania zasad organicznych oraz wybranych cieczy jonowych na nośnikach polimerowych oraz krzemionkowych. Do tego celu przewidziane jest zastosowanie dostępnych nośników polimerowych oraz krzemionkowych. Dla wytypowanych immobilizowanych katalizatorów wyznaczone zostaną optymalne parametry prowadzenia procesu z wykorzystaniem statystycznych metod modelowania eksperymentu oraz próby wytrzymałości katalizatorów w kolejnych szarżach reakcyjnych.

Otrzymane estry poddane zostaną badaniom mającym na celu określenie ich właściwości fizykochemicznych. Planowane są również badania właściwości smarnych otrzymanych estrów jak również ich mieszanek z olejami pochodzenia petrochemicznego.

Wpływ realizacji projektu na wzrost innowacyjności gospodarki regionu poprzez zintensyfikowanie powiązań między nauką i przemysłem, w tym określenie możliwości zastosowania wyników badań w konkretnym sektorze bądź przedsiębiorstwie

Na świecie obserwuje się rosnące zainteresowanie produktami przyjaznymi dla środowiska naturalnego. Jest to spowodowane głównie pogarszającym się stanem środowiska naturalnego, z czym wiążą się coraz ostrzejsze wymagania prawne stosowanych w gospodarce materiałów do jakich należą między innymi środki smarne. Konwencjonalne środki smarne produkowane z wykorzystaniem komponentów pochodzenia petrochemicznego są słabo biodegradowalne, ich przedostanie się do środowiska naturalnego z reguły niesie za sobą negatywne oddziaływanie na otoczenie.

Opracowanie technologii wytwarzania biodegradowalnych środków smarowych z wykorzystaniem 2-etyloheksanolu, glikolu neopentylowego oraz trimetylolopropanolu poszerzy ofertę Instytutu Ciężkiej Syntezy Organicznej „Blachownia” w zakresie zagospodarowania surowców pochodzenia naturalnego.

W związku z istniejącą w województwie Opolskim infrastrukturą przemysłową technologia ta może być przedmiotem zainteresowania przedsiębiorstw chemicznych prowadzących działalność w regionie.

Badana technologia wiąże się z zastosowaniem surowców będących przedmiotem produkcji (Zakłady Azotowe Kędzierzyn, Zakłady Tłuszczowe „Kruszwica” w Brzegu) i handlu (Brenntag) firm działających na terenie Opolszczyzny. Wdrożenie opracowanej technologii spowoduje zwiększenie zapotrzebowania na surowce oferowane przez regionalnych producentów.

Opracowane w ramach pracy doktorskiej katalizatory mogą znaleźć zastosowanie w innych procesach technologicznych realizowanych przy użyciu klasycznych katalizatorów zasadowych prowadzonych w przedsiębiorstwach działających w regionie województwa Opolskiego.

Literatura

  1. S. Gryglewicz, W. Piechocki, G. Gryglewicz; Bioresour. Technol., 2003, 87, 1, 35-39

  2. 2. H. Wagner, R. Luther, T. Mang; Appl. Catal. A; 2001, 221, 429–442,

  3. 3. T. Welton; Coordination Chemistry Reviews, 2004, 248, 21-24, 2459-2477

  4. 4. D. Simoni, R. Rondanin Tetrahedron Letters, 2000, 41, 10, 1607-1610

  5. 5. S.Gryglewicz; Enzyme and Microbial Technology, 2003, 33, 7, 952-957

  6. 6. V. Dossat, D. Combes, A. Marty; Journal of Biotechnology, 2002, 97, 2, 117-124




dol