Ученые Института катализа СО РАН разработали новый, экономически эффективный и экологически безопасный способ синтеза тетраметоксисилана (ТМОС) — одного из стратегически важных химических веществ, необходимых для производства широкого спектра продуктов химического и нефтехимического комплекса. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Chemical Engineering Journal (импакт-фактор 13,273).

ТМОС – тетраметиловый эфир ортокремниевой кислоты – применяется в производстве современных катализаторов, эффективных силикатных сорбентов, прочных технических покрытий и предохраняющих пленок, новых композитных материалов и пр. Однако до сих пор отсутствуют рентабельные и вместе с тем экологически безопасные и энергосберегающие промышленные способы производства ТМОС. Используемые в настоящее время технологии связаны с большим количеством отходов, в том числе, соляной кислоты, которые могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду, и нужно прилагать много усилий для их нейтрализации.

Для разработки нового способа синтеза ТМОС исследователи взяли за основу реакцию оксида кремния с метанолом в присутствии катализатора. Главным препятствием эффективности синтеза была проблема удаления выделившейся воды, причём трудность заключалась в том, что удаление воды из спирта как реакционной среды требует больших энергетических и материальных затрат.

«Основная проблема взаимодействия оксида кремния со спиртом заключается в том, что в результате реакции выделяется вода. Поскольку образующийся ТМОС легко разлагается под действием воды (т.е. реакция обратима), то главная техническая и научная задача, которая перед нами стояла на этом этапе, — своевременное удаление воды», — комментирует научный сотрудник Института катализа СО РАН, к.х.н. Иван Кожевников.

Реакцию оксида кремния (SiO₂) с метанолом реализовали в проточном реакторе при температуре 270° С. Традиционные сорбционные технологии поглощения воды обычно не работают при повышенных температурах, особенно при необходимости разделения смесей воды и спирта. Данную проблему решили при помощи каскадного чередования реакторных зон повышенного нагрева, в которых происходит реакция, и холодных участков проточного реактора, в которых размещен реагент-осушитель для поглощения выделяющейся воды. Предложенная конструкция позволяет получать продукт требуемой чистоты с высокой концентрацией ТМОС, что резко повышает рентабельность процесса.

Другой важной особенностью разработанного решения является возможность использования в качестве исходного сырья разных природных материалов, содержащих оксид кремния. Это позволяет лучше адаптировать производственный процесс под нужды заказчика.

«Спрос на мировом рынке на тетраалкилортосиликаты, в том числе ТМОС, очень высокий. Они применяются, в частности, в производстве разнообразных сорбентов и носителей, водоотталкивающих покрытий, различных связующих композитных материалов, даже в зубоврачебной практике используются определенные добавки, — рассказывает старший научный сотрудник Института катализа СО РАН, к.х.н. Андрей Чибиряев. – Имеющаяся рыночная ограниченность в предложении ТМОС определяется недостатками существующего производства ортосиликатов – дорого и неэкологично. Новый способ производства, основанный на нашем решении, позволит значительно увеличить производство ТМОС для удовлетворения высокого спроса на рынке на данные материалы, а также обеспечит экологичность производственного процесса».