 |
Változtatható polaritású komponensek a zártkörű ozmotikus energiatermelés és katalitikus reakciók megvalósításához
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
116727 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Nagy Endre |
| magyar cím |
Változtatható polaritású komponensek a zártkörű ozmotikus energiatermelés és katalitikus reakciók megvalósításához |
| Angol cím |
Switchable-polarity solvents/solutes for closed-loop osmotic energy generation and catalytic reactions |
| magyar kulcsszavak |
Energia előállítás, Változtatható polaritású vegyületek, Zártkörű eljárás, Nyomás visszatartott ozmózis, Membrán eljárás, Katalítikus reakciók |
| angol kulcsszavak |
Energy generation, Switchable-polarity compounds, Closed-loop process, Pressure retarded osmosis, Membrane process, Catalytic reactions |
| megadott besorolás |
| Szerves-, biomolekuláris- és gyógyszerkémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 42 % | | Ortelius tudományág: Intelligens anyagok | | Műszaki kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 40 % | | Ortelius tudományág: Környezeti kémia | | Energetika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 18 % | | Ortelius tudományág: Villamosenergia-termelés |
|
| zsűri |
Kémia 2 |
| Kutatóhely |
MÜKKI Bio-nanorendszerek Kutatólaboratórium (Pannon Egyetem) |
| résztvevők |
Fehér Csaba
Fehér Klaudia
Hegedüs Imre
Ispán Dávid
Kakasi Balázs
Maksó Lilla
Meiczinger Mónika
Nagy Enikő
Nagy Renáta
Skodáné Földes Rita
Szánti-Pintér Eszter
Urbán Béla
Vitai Márta
|
| projekt kezdete |
2015-09-01 |
| projekt vége |
2021-08-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
27.910 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
24.38 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
1. Változtatható polaritású komponensek, különböző diaminok/sekunder/tercier aminok/ amidinek szintézise, amelyeket aztán, mint oldott anyagot/oldószert alkalmazunk zártkörű nyomás visszatartott ozmózis (PRO) folyamatban energia előállítására, valamint katalitikus reakciókhoz. E komponensekkel szembeni követelmény a magas ozmózisnyomás, alacsony viszkozitás és permeabilitás, valamint könnyen változtatható polaritás a regenerálás érdekében.
2. Kereskedelmi féligáteresztő membrán alkalmazásával használjuk a változtatható polaritású vegyületeket zártkörű PRO folyamathoz. A működési paraméterek hatását, a termelt fajlagos energiát mérjük és a transzport folyamatokat megfelelő matematikai összefüggésekkel modellezzük. A folyamat során híguló nagy koncentrációjú oldatot regeneráljuk és újra felhasználjuk.
3. Az új típusú oldószereket különböző katalitikus reakciókban teszteljük: a) réz-katalizált azid-alkin cikloaddícióban (CuAAC), b) palládium-katalizált karbonilezési reakciókban, c) szteroidok bázis-katalizált reakcióiban. Először kiválasztjuk az egyes reakciókhoz alkalmasnak ítélt elegyeket olyan szempontok alapján, mint a CO2 jelenlétében és távollétében tapasztalt polaritás-különbség nagysága, az első két reakció esetében az oldószerek inertsége és fémkomplexeket stabilizáló képessége, a harmadik esetben pedig az elegy bázikus komponensének katalitikus sajátságai. A kiválasztott elegyeket modell-reakciókban teszteljük és változtatunk összetételükön, ha szükséges. A megfelelőnek talált oldószerelegyeket különböző, elsősorban gyakorlati szempontból fontos vegyületek átalakításánál is felhasználjuk.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tervezett kutatás fő célja megválaszolni, hogyan állíthatók elő és alkalmazhatók kapcsolható polaritású vegyületek, az ozmotikus energia előállítás és a katalitikus reakciók új technológái kidolgozásához, amelyek sokkal gazdaságosabbak, környezetbarát, mint a hagyományos technológiák. Ennek megvalósításához olyan változtatható polaritású komponenseket állítunk elő, amelyek nem ionos állapotát külső hatással, pl. CO2 atmoszféra alkalmazásával ionos vegyületté alakíthatjuk.
Igen fontos kérdés, hogy tudjuk könnyen, kis energiaszükséglettel, pl. kevesebb energiával, mint a töményítés membrán desztillációval, regenerálni a PRO folyamat során elhasználódott oldatot. Három fő módja lehet az oldott anyag kinyerésének: csapadékképzés, oldás szerves oldatban, és fázis szeparáció, amelynél az apoláros formát kiváltjuk N2 atmoszférával. Számos kapcsolható polaritású vegyületet, részben már alkalmazott, részben e kutatás során újonnan előállított, tesztelünk annak érdekében, hogy növeljük az energia hatékonyságát a zártkörű folyamatnak.
A vegyületeket különböző reakciókban teszteljük egyrészt oldószerként [i) és ii) reakció] másrészt oldószerként és katalizátorként [iii) reakció]. Minden reakció esetében megvizsgáljuk, hogy az oldószer poláris vagy apoláris változatának alkalmazása előnyösebb-e a katalitikus reakció szempontjából. Továbbá felderítjük, hogy az egyes oldószerek esetén mennyire könnyen választhatók el a különböző polaritású termékek és melléktermékek, milyen tisztaságban nyerhető ki a termék, regenerálható-e és újra felhasználható-e az oldószer — katalizátor elegy.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
E kutatás eredményei megteremthetik új, környezetbarát vegyületek alkalmazásának, valamint új, kis energiaigényű folyamatok, mint elválasztás, fenntartható energiatermelés alapjait gyakorlatilag káros másodlagos termékek, mérgező anyagok nélkül.
A PRO eljárás, amely során alacsony és magas só koncentrációjú oldatokat keverünk félig-áteresztő membránon keresztül, kutatása igen népszerű téma jelenleg. Ez az energiatermelési módszer igen biztató és viszonylag olcsó eljárás, amely az energiatermelés jövőbeli technológiája lehet. A PRO eljárás az alacsony és magas koncentrációjú só oldatok folyamatos, nagy lineáris sebességű betáplálását igényli a külső határrétegi ellenállás csökkentése céljából. Ezért, e technológia csak azon országok számára lehet megfelelő, amelyek tengerparttal (magas koncentrációjú só oldat forrása) és abba torkolló folyóval (alacsony koncentrációjú só oldat forrása) rendelkeznek. A zárt-körben megvalósítandó PRO folyamat nem igényel friss vizet, emiatt ez a folyamat előnyös olyan országok számára, amelyeknek nincs tengerpartja, pl. Magyarország, illetve amelyek szegények vízben. Másrészt ez az energiát termelő folyamat környezetbarát eljárás, amely nem bocsát ki környezetre veszélyes anyagokat. Ez valóban zöld technológia. Természetesen, e folyamat megvalósítása a kapcsolható polaritású anyagokkal szemben számos követelmény –mind az alacsony polaritású (nem-ionos), mind a magas polaritású (ionos) anyagok fizikai-kémiai tulajdonságait tekintve - teljesülését igényli. Az ilyen komponensek előállítása, keresése e projekt döntő feladata.
A változtatható polaritású anyagok új tulajdonságú oldószerként alkalmazhatók szerves reakciókban, amelyek megkönnyítik a termék elválasztását, és ami még ennél is fontosabb, lehetővé teszik a katalizátor—oldószer elegy regenerálását és többszöri felhasználását. A módszer alkalmazásával a hulladékok mennyisége és az első két reakció esetében a termékek fém-szennyezése várhatóan jelentősen csökkenthető. A hagyományos ionos folyadékokkal szemben előnyük az alacsonyabb ár és könnyebb kezelhetőség. Emellett kihasználva a külső hatásra bekövetkező polaritás-változást, lehetőség nyílik mind poláris, mind apoláris komponensek egymás utáni eltávolítására.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A fenntartható energiatermelés a nyomás visszatartott ozmózissal (PRO), valamint a környezeti vagy zöld technológiák megvalósítása alapvető a környezetünk védelme, az életminőség megőrzése szempontjából. Mindkét fontos célt vizsgáljuk és elemezzük ebben a projektben. E célok közös pontja az újonnan fejlesztett és rögtön intenzíven kutatott kapcsolható polaritású komponensek. E vegyületek, többnyire diaminok/szekunder-/tercier aminok/amidinek, meg tudják reverzibilisen változtatni polaritásukat, pl. nem-ionos formából ionos formába CO2 atmoszféra alkalmazásával. Ez azt jelenti, hogy pl. a vízben oldhatatlan, nem-ionos formája vízoldható, ionos formává alakul. Különböző változtatható polaritású vegyületeket állítunk elő, vizsgáljuk a tulajdonságaikat és alkalmazzuk őket energiatermelésre, valamint katalitikus reakciók megvalósítására.
A PRO energiatermelés az alacsony és magas sótartalmú oldatok illetve azok keveréke közötti energiakülönbségen alapul. A változtatható polaritású vegyületek alkalmazása a magas sótartalmú oldatokban lehetővé teszi az energiatermelés megvalósítását zárt technológiai körben, amelynél az oldott ionos vegyület könnyen eltávolítható és így regenerálható az oldat. E zártkörű folyamatot vizsgáljuk és elemezzük.
A változtatható polaritású anyagok alkalmas oldószerek katalitikus reakciók kivitelezéséhez. Lehetővé teszik olyan technológiák kidolgozását, amelyekben a termékek elkülönítése lényegesen egyszerűbb, mint a hagyományos módszerek esetén. Emellett segítségükkel megoldható a katalizátor és oldószer elegyének visszanyerése és többszöri felhasználása, ami jelentős mértékben csökkenti a képződő hulladék mennyiségét.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Main stages of this project:
1. Synthesis of switchable-polarity compounds that are capable to change their polarity in the presence of external stimuli. They include, different diamines/secondary amines /tertiary amines/amidines, which will be then used as solvent/solute in a closed-loop pressure retarded osmosis process (PRO) for sustainable energy generation and for catalytic reactions. These compounds should have high osmotic pressure, low viscosity, low permeability and easily changeable polarity for their regeneration.
2. Application of the switchable-polarity solutes for closed-loop PRO process for energy generation applying semi-permeable membranes. The effect of operating parameters, the energy generated will be measured and predicted and the transport process will be described by adequate mathematical expressions. The diluted draw solution will then be regenerated and recycled. It will also be investigated how the consumed energy used for pumping, regeneration, etc. can be lowered/minimized.
3. Application of the new solvents in catalytic reactions such as: (i) copper catalysed azide-alkyne cycloadditon (CuAAC), ii) palladium-catalysed carbonylative coupling reactions, iii) base catalysed reactions of steroids. First, suitable candidates for the different reactions will be selected based on several factors, i. e. the magnitude of the change in their polarity in the presence and absence of CO2, their ability to stabilise the metal complexes and their inertness in the first two reactions, and their catalytic activity in the last one. The new solvents will be tested in model reactions and their composition will be changed if necessary.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main goals of this research activity is to answer how the easily, reversibly switchable-polarity compounds can be constructed/synthetized and applied in order to create new processes in the field of osmotic energy generation and catalytic chemical reactions which are much more economical, environmentally friendly processes than the conventional ones. To do that, such switchable compounds will be created that can be converted from a non-ionic state to an ionic salt in liquid form by an external stimulus, such as CO2.
One of the important questions is how the diluted high-salinity draw solution can easily be regenerated after the PRO process, which process should consume much less energy than the conventional concentration process, e.g. membrane distillation. There are three main possibilities to recover the solvent: it will be precipitated or dissolved in organic liquid or it forms biphasic mixture in its low polarity, non-ionic form exposed to N2 atmosphere. Several switchable-polarity compounds, partly already investigated, partly newly prepared ones by us will be tested in order to improve the energy efficiency of this closed-loop process.
These compounds will be tested in different catalytic reactions as solvents [in reactions i) and ii)] and as solvents and catalysts [in reaction iii)]. For each type of reactions it should be decided if they should be carried out in the polar or in the apolar form of the solvents. The other main points to be clarified are as follows: the isolation of products and byproducts of different polarity, the purity of the products and the recyclability of catalyst/solvent mixtures
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Results of this research can create the base of application of new chemical, environmentally friendly compounds as well as new, low energy processes as product/solute separation, sustainable energy production, practically without any harmful, secondary product or contaminants.
Energy production by pressure retarded osmosis, mixing the low and the high salinity waters through a semi-permeable membrane is a very popular research theme at present. This method of the energy production is a very promising process. It seems to become one of the future technologies for energy production. The PRO process needs continuously feeding the low and high salinity solutions with high linear velocity in order to lower the external mass transfer resistances of the liquid boundary layers. Thus, this process is practically suitable only for countries, which have seaside with rivers, thus have got the necessary low (river water) and high salinity waters (sea water). The closed-loop PRO process does not use fresh waters, thus this process particularly advantages countries without seaside as e.g. Hungary or countries having water shortage. On the other hand, this energy generation technology is environmentally friendly process without harmful compounds to be discharged. Obviously, to realize it suitable, requirements -regarding its physicochemical properties in both the low (non-ionic) and high polarity (ionic) forms- fulfilling switchable-polarity compounds are needed to it. The preparation/synthesis and seeking such kind of compounds is a crucial task of this project.
These switchable compounds as a new class of solvents in organic reactions will facilitate isolation of products and, more importantly, makes it possible to regenerate and to recycle catalyst/solvent mixtures. By the use of this methodology wastes and, in the case of the first two reactions, metal contamination of products can be reduced considerably. Compared to classical ionic liquids, lower price of the compounds as well as easier handling are the main advantages of the new materials. Besides, because of the change in their polarity upon external stimuli, both polar and apolar components can easily be removed from the solvents in a stepwise process.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Sustainable energy generation as pressure retarded osmosis (PRO) and the realization of environmental or green technologies is essential for defence of our environment, for reversing our living standard. Both of these important goals will be investigated, elaborated in this project. The joint points of these targets are the newly developed and immediately intensively researched material, namely the switchable-polarity compounds. These compounds, mostly diamines/secondary amines, tertiary amines/amidines, are able to change their polarity reversibly from e.g. non-ionic form to an ionic form. That should mean that e.g. its water soluble ionic form becomes water immiscible form. Different kind of switchable compounds will be synthetized and used for energy generation and catalytic reactions.
Energy generation by pressure retarded osmosis is based on the energy difference between a low salinity plus high salinity waters and their mixture. The switchable-polarity solvents, using as high salinity draw solution in a PRO system enables the user to realize the PRO process as a closed-loop process where the solvent can be removed from the diluted draw solution by polarity change of the solvent. This closed-loop process will be investigated regarding its mass transport mechanism and energy balance.
The switchable-polarity components can be used as solvents for different types of catalytic reactions. Changeable polarity enables the user to elaborate technologies where the product can be separated easier than in conventional processes. Moreover, they make it possible to recycle the solvent—catalyst mixture and therefore, to reduce the amount of wastes considerably
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Nagy E., Hegedüs I.: Transport phenomena in UF/MF processes, Basile-Ghasemzadeh (Ed), in Current trends and future developments on (bio) membranes, Transport phenomena in membranes, 2021 | | Hegedüs, I., Vitai M., Jakab, M., Nagy E.: Studyof prepared alfa-Chymotrypsin as enzymennanoparticles and of biocatalytic membrane reactor, Catalysts, 2020 | | Nagy E., Hegedüs I., Rehman, D., Wei, J., Ahdab, Y.D., Lienhard, J.H.: The need for accuratebosmotic pressure and mass tarnsfer resistances in modelling osmotically driven membrane processes, Membranes, 2021 | | Kasza Gy., Stumphauser, T., Bisztrán M., Szarka, Gy., Hegedüs, I., Nagy E., I. Béla: Thermoresponsive Poly(N,N-diethylacrylamide-co-glycidyl methacrylate) Copolymers and Its Catalytically Active α-Chymotrypsin Bioconjugate with Enhanced Enzyme Stability, Polymers, 2021 | | Ispán D., Varga B., Balogh Sz., Zsirka B., Gömöry Á. Skoda-Földes R.: Claisen-Schmidt condensation and domino Claisen-Schmidt condensation — Michael addition of 16-formyl steroids in the presence of switchable polarity solvents, European J. Organic Chemistry, 2018 | | Skodáné Földes Rita: Ritka ionfolyadékok felhasználása szteroidok szintézisében, Magyr Kémikusok Lapja, 2017 | | Nagy E., Hegedüs I.: Mass transport through capillary biocatalytic membran reactor, Basile.Ghasemzadeh (Ed) in Current trends and future developments in (bio)membranes, 2021 | | Nagy E., Dudás J., Hegedüs I: Improvement of the energy generation by pressure retarded osmosis, Energy, 2016 | | Ispán Dávid: Változtatható polaritású oldószerek alkalmazása szerves reakciókban, Pannon Egyetem, 2016 | | Nagy E., Hegedüs I: Pressure retarded osmosis for energy generation: description and realization, Conference book of the Technical Chemical Days, 2016 | | Nagy E. Dudás J: Improvement of energy generation by pressure retarded osmosis process, Proceeding of CHISA 2016 Congress (in electronic form), 2016 | | Ispán Dávid: Változtatható polaritású oldószerek alkalmazása szerves reakciókban, Inter Talent UNIDEB conference, 2016 | | Nagy Endre , Hegedüs I. Emily W. Tow. John. H. Lienhard: Effect of fouling on performance of pressure retarded osmosi (PRO) and forward osmosis (FO), J. Membr. Sci., 2018 | | Dávid Ispán, Eszter Szántó-Pintér, Máté Papp, Johan Wouters, Nikolay Tumanov, Balázs Zsirka, Ágnes Gömöry, László Kollár, Rita Skoda-Földes.: Tha pplication new guanidine switchahle solvent system in the Claisen-Schmidt condensation of 17-keto-steroide, European J. Organic Chemistry, 2018 | | Nagy E., Meiczinger M. Vitai M.: Investigation of the improvement of energy generation by pressure retarded osmosis, J. Memr. Sci. & Res., 2019 | | Nagy E. Vitai M.: From "black box" to a real description of the overall mass trasnport through membrane and boundary layer, Membranes, 2019 | | Nagy E. Vitai M.: Analysis of mass transport through anisotropic catalytic/biocatalytic membrane reactors, Catalysts, 2019 | | Nagy E., Hegedüs I.,: Description of mass transport through an asymmetric, biocatalytic membrane,, Tokyo, 2019. 03. 13-14, Japan, 2019 | | Nagy E., Meiczinger M., Vitai M., Hegedüs I.: Katalitikus nanorészecskéket tartalmazó membránon keresztüli anyagátadás,, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2019, ápr. 13-18, 2019 | | Nagy E. Hegedüs I.: How the fouling can affect the transport and energy generation in PRO process,, 12th European Congress on Chemical Engineering (ECCE 12), Firenze, 2019. 09 16-20., 2019 | | Nagy Endre, Hegedüs Imre: Dffusive plus convective mass transport, accompanied by biochemical reaction, across capillary membrane, Catalysts, 2020 | | Nagy, Endre., Hegedüs, Imre. Fehér,Csaba, Skoda-Földes Rita: Analysis of energy production by pressure retarded osmosis, Chem. Eng. Transaction, 2020 | | Nagy Endre, Hegedüs Imre: Mass transport through capillary, biocatalytic membrane reactor, Transport Phenomena, Elsevier, 2020 | | Nagy Endre Hegedüs Imre: Transport Phenomena in UF/MF membranes, Transport phenomena, Elsevier, 2020 | | Nagy E. Vitai M.: From "black box" to a real description of the overall mass trasnport through membrane and boundary layer, Membranes, 2019 | | Nagy E. Vitai M.: Analysis of mass transport through anisotropic catalytic/biocatalytic membrane reactors, Catalysts, 2019 | | Nagy Endre, Hegedüs Imre: Dffusive plus convective mass transport, accompanied by biochemical reaction, across capillary membrane, Catalysts, 2020 | | Nagy, Endre., Hegedüs, Imre. Fehér,Csaba, Skoda-Földes Rita: Analysis of energy production by pressure retarded osmosis, Chem. Eng. Transaction, 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
