BR10965230 «Разработка «зеленых» технологий получения полифункциональных материалов на основе глубокой переработки органоминерального сырья Казахстана» (2021-2023 г.г.)

Институт органического синтеза и углехимии Республики Казахстан (ИОСУ РК) организован 1 октября 1983 года и является ведущим в Казахстане научным учреждением, специализирующемся в области углехимической науки.

BR10965230 «Разработка «зеленых» технологий получения полифункциональных материалов на основе глубокой переработки органоминерального сырья Казахстана» (2021-2023 г.г.)

Характеристики
Категория:
Информация о программе ПЦФ-2021-2023-за 2021 год
Описание проекта
Наименование темы научной, научно-технической программы 

BR10965230 «Разработка «зеленых» технологий получения полифункциональных материалов на основе глубокой переработки органоминерального сырья Казахстана» (2021-2023 г.г.)

Актуальность

Актуальность связана с необходимостью улучшения экологической обстановки в Казахстане. Высокая ценность органической части углей обусловливает необходимость комплексного подхода к их использованию, особенно тех видов, которые непригодны для энергетических целей и обеспечивают получение широкого набора разнообразных материалов.

Цель программы

Создание фундаментальных основ «зеленых» технологий получения новых материалов на основе глубокой переработки органоминерального сырья Казахстана – активированного угля из коксовой мелочи; нанокомпозитов для очистки сточных вод и техногенных почв; биоактивных веществ на основе природных и синтетических N,S-содержащих гетероциклов; а также электрокаталитических способов получения органических соединений и применения пларонной технологии очистки газов.

Реализация данной программы направлена на создание новых «зеленых» технологий получения эффективных, экологически безопасных материалов из органоминерального сырья, в том числе из отходов угольной промышленности и коксохимического производства. Переработка и рациональное использование природных ресурсов и отходов производственной деятельности, снижение затрат на количество необходимых реактивов, уменьшение многостадийности за счет интенсификации химического процесса путем его микроволновой активации, увеличение качества и эффективности материалов за счет их наноструктурирования и т.д. относятся к основным постулатам «зеленой» химии – экологичность, безопасность и экономичность.

Ожидаемые результаты

В результате выполнения программы будет обеспечен комплексный подход в достижении цели программы – создании научных основ «зеленых» технологий и разработке новых способов получения полифункциональных нанокомпозитных материалов (углеродных сорбентов, органических и неорганических экотоксикантов, удобрений, структурообразователей почв, нанокомпозитных биметаллических электрокатализаторов, биологически активных веществ антивирусного, антибактериального и антиоксидантного действия) для очистки воздуха, водных и почвенных ресурсов, медицины и сельского хозяйства с рекомендациями по дальнейшему внедрению полученных результатов.

Научный руководитель Программы – заслуженный деятель науки РК, академик НАН РК, доктор химических наук Мулдахметов Зайнулла Мулдахметович. Имеет более 500 научных публикаций, в том числе монографии и патенты. Индекс Хирша по базе Web of Science равен 4. ORCID https://orcid.org/0000-0001-9497-2545.

Реализация Программы осуществляется по 4-м направлениям:

Научный руководитель 1-го направления – Мейрамов Мажит Габдуллович – к.х.н., главный научный сотрудник лаборатории Химии угля (ХУ). Автор более 100 печатных научных работ. Индекс Хирша в базе данных Web of Science равен 5. ORCID https://orcid.org/0000-0003-2498-6516.

Члены исследовательской группы:

1. Ордабаева А.Т., к.х.н., заведующая лабораторией ХУ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-4413-1163

2. Газалиев А.М., д.х.н., главный научный сотрудник лаборатории ХУ. ORCID https://orcid.org/0000-0003-2161-0329

3. Шайкенова Ж.С., магистр, научный сотрудник лаборатории ХУ. ORCID http://orcid.org/0000-0001-8440-6056

Научный руководитель 2-го направления – Жакина Алма Хасеновна – к.х.н., доцент, заведующая лабораторией Химии полимеров (ХП). Автор более 200 печатных научных работ, из них 13 патентов РК. Индекс Хирша в базе данных Web of Science равен 3. ORCID https://orcid.org/0000-0001-5724-2279 . https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=24559696600

Члены исследовательской группы:

1. Животова Т.С., д.х.н., главный научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID http://orcid.org/0000-0002-0793-4653

https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6602225408

2. Рахимова Б.Б., к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID https://orcid.org/0000-0003-2662-536X

https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6507186762

3. Василец Е.П., магистр, научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID http://orcid.org/0000-0003-2242-486X

https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57219400724

4. Арнт О.В., магистр, научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID http://orcid.org/0000-0002-8996-4572

https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57219400016

5. Әлжанқызы А., магистр, младший научный сотрудник лаборатории ХП. ORCID https://orcid.org/0000-0001-5790-8659

6. Кудрявцева Е.В., бакалавр, инженер лаборатории ХП, магистрант. ORCID https://orcid.org/0000-0002-1672-1318

Научный руководитель 3-го направления – Иванова Нина Михайловна – д.х.н., профессор, заведующая лабораторией Электрокатализа и квантовохимических исследований (ЭКХИ). Автор свыше 270 научных трудов. Индекс Хирша по базе Web of Science равен 3. Ссылка на профиль в базе Scopus: http://www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=26659806600.

ORCID https://orcid.org/0000-0001-8564-8006

Члены исследовательской группы:

1. Соболева Е.А., к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории ЭКХИ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-1089-367X

2. Зиновьев Л.А., к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории ЭКХИ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-8612-1043

3. Висурханова Я.А., магистр химии, научный сотрудник лаборатории ЭКХИ, PhD-докторант. ORCID https://orcid.org/0000-0001-7279-1145

4. Мухамеджанова А.К., магистр химии, младший научный сотрудник лаборатории ЭКХИ. ORCID https://orcid.org/0000-0003-4369-3102

5. Бейсенбекова М.Е., бакалавр химии, инженер лаборатории ЭКХИ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-4156-2259

Научный руководитель 4-го направления – Нуркенов Оралгазы Актаевич, д.х.н., профессор, заведующий лабораторией Синтеза биологически активных веществ (СБАВ). Индекс Хирша по базе данных Web of Science равен 8. Автор свыше 500 научных трудов. ORCID https://orcid.org/0000-0003-1878-2787 .

Члены исследовательской группы:

1. Фазылов С.Д., д.х.н., главный научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-4240-6450

2. Нурмаганбетов Ж.С., к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-0978-5663

3. Сейлханов О.Т., магистр, научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0002-2322-8863

4. Мендибаева А.Ж., магистр, младший научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0001-6123-3340

5. Хамит Н.С., магистр, младший научный сотрудник лаборатории СБАВ. ORCID https://orcid.org/0000-0001-9153-0127

Задачи программы на 2021 год

1. Получение активированных углей из коксовой мелочи на лабораторной установке, определение технологических параметров активации и физико-химических характеристик полученных углеродных сорбентов.

2. Разработка методов получения композитных материалов на основе аминосодержащих гуминовых кислот, исследование их состава и физико-химических свойств.

3. Создание Fe-Cu- и Fe-Ag-композитов на основе ферритов меди (II) и серебра (I), биметаллических Cu-Ni и Ag-Ni наночастиц и изучение их электрокаталитических свойств в электросинтезе аминобензойных кислот.

4. Синтез и исследование супрамолекулярных комплексов включения β- и 2-гидроксипропил-β-циклодекстринов с анабазином и его производными.

Полученные результаты за 2021 год

1. Физико-химическими методами определены основные характеристики среднетемпературного кокса, производимого ТОО «Евромет» (Караганда). По результатам физико-химического анализа установлено, что данные образцы кокса представляют собой высокоактивный углеродистый материал с высоким содержанием углерода и низкой зольностью. Кокс из углей «К12» и «Рапид» может быть использован в качестве исходного материала для получения угольных сорбентов. Экспериментальным путем определены оптимальные условия активирования исходного материала – температура 850 0С, временя активации 2 часа. Установлены характеристики (обгар, зольность, насыпная плотность, суммарный объем пор по воде и  активности по йоду и метиленовому голубому) сорбентов «К12», «Рапид» и «Шубарколь комир». Изучена поглотительная способность сорбентов, полученных парогазовой активацией кокса с размером частиц 2-5 мм на примере фенола. По итогам испытаний установлено, что содержание фенола в воде на сорбентах из кокса «К12»  и «Рапид» снизилось в 4388 и 34861 раз, соответственно.

2. Методом молекулярного импринтинга (Molecular Imprinting) получены композитные материалы на основе аминосодержащих гуминовых кислот. Установлены состав и структура «настроенных» композитных сорбентов данными элементного анализа, кондуктометрии, ИК-спектроскопии. Установлено, что кислотный гидролиз «настроенных» сшитых композитов дает возможность получить поры, которые соответствуют ионному радиусу определенного металла и сорбировать в поры из растворов солей определенный металл, соответствующий его размеру. Изучена морфология поверхности темплатных сорбентов, доказано наличие металла и освобождение пор после кислотного гидролиза в темплате. Методом рентгенофазового анализа доказано наличие меди в полученных соединениях. Методом ДТА исследовано термическое разложение полученных композитов, а методом BET и STSA определены удельная поверхность, полный объём пор и объём микропор. Исследование сорбционных свойств сшитых сорбентов показало, что предварительная настройка участков макромолекул на ионы меди с последующим их расположением межмолекулярным сшиванием резко увеличивает емкость сорбента по сравнению с тем же композитом, сшитым без настройки, и существенно повышает скорость сорбции. Предложенный метод дает возможность получать композиты с анионо- и катионообменными свойствами селективных для связывания целевых металлов и рекомендовать их к использованию как один из наиболее дешевых сорбентов, получаемых из отходов угледобычи.

3. На основе феррита меди (CuFe2O4) и феррита серебра (AgFeO2), синтезированных методом соосаждения без и в присутствии полимерного стабилизатора (ПВС) с последующей термической обработкой и электрохимическим восстановлением, получены Fe-Cu- и Fe-Ag-композиты. Методом последовательного химического восстановления приготовлены биметаллические Cu-Ni и Ag-Ni частицы в форме «ядро в оболочке». С применением Fe-содержащих композитов и биметаллических Cu-Ni и Ag-Ni частиц как электрокатализаторов изучены процессы электрокаталитического гидрирования двух изомеров (пара- и орто) нитробензойной кислоты. Установлена высокая электрокаталитическая активность приготовленных катализаторов в исследованных процессах и селективное образование соответствующих аминопроизводных бензойной кислоты – важных промежуточных продуктов в производстве лекарственных средств.

4. Проведены исследования по получению супрамолекулярных комплексов включения алкалоида анабазина и его производных – N-циннамоиланабазин, 3-(5-фенил-4,5-дигидро-1H-пиразол-3-ил)анабазин и 3-фенил-N-анабазино-карбонотиоилакриламид с β-циклодекстрином и 2-гидроксипропил-β-циклодекстрином и изучены их физико-химические свойства. Синтез супрамолекулярных комплексов включения анабазина и его синтезированных новых производных проводилось разными методами в водно-спиртовой среде: классическим методом соосаждения; методом микроволновой и ультразвуковой обработки. Наибольшие выходы клатратных комплексов включения изучаемых субстратов были получены в микроволновом поле. Молекулярное моделирование комплексов включения анабазина с b-циклодекстрином и 2-гидроксипропил-β-циклодекстрином выполнялось методом молекулярной механики ММ+ с помощью программы HyperСhem 8.0. Установлено, что в результате взаимодействия анабазина с изучаемыми циклодекстринами (1:1) возможно образование двух типов комплексов включения: I типа – за счет более глубокого проникновения пиридинового кольца анабазина в полость циклодекстрина; II типа – за счет более глубокого проникновения пиперидинового кольца анабазина в полость циклодекстрина. Морфология поверхности полученных образцов клатратных комплексов включения изучено с помощью сканирующего электронного микроскопа. По итогам исследований синтезировано 8 новых клатратных комплексов анабазина и его производных, их строение изучено различными физико-химическими методами: ИК-Фурье, ЯМР 1Н- и 13С-спектроскопии, электронно-сканирующего микроскопа, дифференциальной термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии.

Список опубликованных работ по направлениям программы за 2021 год

1 Мулдахметов З.М., Газалиев А.М., Животова Т.С., Жакина А.Х., Василец Е.П., Арнт О.В., Кудрявцева Е.В., Әлжанкызы А. Композиты на основе гуминовой кислоты // Материалы научно-практ. конф. «Тонкий органический синтез-2021». – Алматы, 3 сентября 2021. – С. 67-70. http://ihn.kz/?p=691

2 Висурханова Я.А., Иванова Н.М., Соболева Е.А., Абуляисова Л.К., Минаев Б.Ф. Электрокаталитические свойства композитов на основе восстановленного феррита меди (II) // Материалы II Межд. конф. «Актуальные вопросы электрохимии, экологии и защиты от коррозии», посвящ. памяти профессора, заслуженного деятеля науки и техники РФ В.И. Вигдоровича. – Тамбов (Россия). – 27-29 октября 2021. – С. 351-355.

3 Фазылов С.Д., Нуркенов О.А., Буркеев М.Ж., Cарсенбекова А., Пустолайкина И.А., Жумагалиева Т. Синтез и изучение наноструктурированных супрамолекулярных производных алкалоида анабазина // Материалы научно-практ. конф. «Тонкий органический синтез-2021». – Алматы, 3 сентября 2021. – С. 106. http://ihn.kz/?p=691BR10965230 «Разработка «зеленых» технологий получения полифункциональных материалов на основе глубокой переработки органоминерального сырья Казахстана» (2021-2023 г.г.)