В лаборатории «Моделирование физико-технических процессов» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ под руководством профессора кафедры теплотехники и энергетического машиностроения Тимура Билалова начали развивать новое направление исследований в области сверхкритических флюидных технологий. Исследования ведутся на базе оборудования, закупленного по программе «Приоритет-2030».

К СКФ-технологиям относятся сверхкритическая флюидная экстракция (извлечение экологически чистых экстрактов без остаточного содержания органических растворителей), сверхкритическая сушка (получение аэрогелей), микронизация (получение аморфных нано- и микрочастиц) и импрегнация (пропитка веществ наполнителем на микронном уровне).

Сверхкритические вещества – сверхкритические флюиды – форма агрегатного состояния вещества при температуре и давлении выше критической точки, при котором исчезают различия между жидкой и газовой фазой. Проще говоря, это нечто среднее между газом и жидкостью. Особенность этого состояния – уникальная растворяющая способность в сочетании с высоким коэффициентом диффузии, которая позволяет использовать сверхкритические флюиды в качестве растворителей. Сочетание эффективности и безвредности для окружающей среды обуславливают широкое применение СКФ для производства и обработки полимеров, в пищевой промышленности, фармацевтике и медицине, для получения новых материалов и биодизельного топлива, а также для переработки биоматериалов и регенерации сорбентов и катализаторов в химии и нефтехимии. Интересным является то, что, меняя параметры давления и температуру, можно «отрегулировать» многие свойства СКФ, а также пропитать или вывести необходимые металлы и их комплексы из веществ и материалов.

Использование СКФ в качестве технологической среды для нанесения частиц металлов на носителях также имеет много преимуществ, которые напрямую связаны с особыми свойствами сверхкритических флюидов. Так, сверхкритический диоксид углерода обладает высокой скоростью проникновения практически во все полимеры, его воздействие приводит к различной степени наполнения и повышенной подвижности цепей полимеров, что позволяет пропитывать металлами различные полимеры. Более того, степень наполнения полимера, скорость диффузии внутри его структуры и распределение металла между флюидом и полимером можно регулировать, изменяя растворяющую способность флюида, которая зависит от его температуры и давления. СК-флюиды незаменимы для введения в массу полимера различных модификаторов. Например, в полиарилат вводят комплексы меди, которые при последующем восстановлении образуют металлическую медь. В итоге из полимера и равномерно распределенного металла возникает композиция, обладающая повышенной износоустойчивостью. Аналогичная работа проводится в КАИ. Аспирантка кафедры ТиЭМ в рамках своего диссертационного исследования и гранта «Фонда содействия инновациям» «УМНИК» занимается разработкой методики модификации полимерных композитных материалов в среде сверхкритического диоксида различными комплексами меди для придания материалу стойкости к биодеструкции.

Существенным сдерживающим фактором в развитии СКФ-технологий является слабая изученность растворимости различных веществ в сверхкритических флюидах, поскольку, если обрабатываемое вещество не растворяется в СКФ-растворителе, то о дальнейшем развитии работы в рамках СКФ-направления речи быть не может. Именно корректные данные о растворимости веществ в СКФ-растворителе позволяют правильно установить оптимальные условия осуществления того или иного процесса.

В настоящее время определение растворимости веществ в сверхкритических растворителях проводится исключительно экспериментальными методами, в то время как имеющиеся математические модели только описывают существующий массив данных и не всегда способны качественно спрогнозировать то или иное свойство за пределами исследованных границ. Проведение экспериментальных исследований же не всегда возможно в силу различных факторов, связанных как с природой исследуемого вещества (его химическая стойкость, температура вспышки или разложения и т. д.), так и с тем, что зачастую вещества с требуемой чистотой недоступны или слишком дороги. Поэтому в рамках данного направления готовится совместная со специалистами кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ) заявка на грант «Российского научного фонда» на разработку нейронной сети, способной предсказать растворимость с точностью, достаточной для проведения предварительных расчетов на основании данных по растворимости уже изученных ранее веществ. Эти модели потенциально позволят оценивать растворимость широкого спектра веществ и растворителей только на основе их свойств. На разработку такой модели и направлен проект.

Фазовая диаграмма вещества

Характер изменения растворимости исследуемого вещества в сверхкритическом флюиде при различных температурах

Напомним, «Приоритет-2030» - программа стратегического академического лидерства. Развитие КНИТУ-КАИ на 2021–2030 годы в ее рамках предусматривает цифровую трансформацию университета в центр технологического развития в области наукоемкого машиностроения.