Výzkumná skupina mikroreaktorů

Zaměřujeme se na vývoj, testování a charakterizaci vysoce funkčních tenkých vrstev na bázi grafitického nitridu uhlíku (g-C₃N₄) pro degradaci polutantů a štěpení vody indukovanou viditelnou oblastí slunečního spektra. Cílem je získat vysoce aktivní a odolné fotokatalytické filmy s vlastnostmi přizpůsobenými dané aplikaci, jako je tloušťka, pórovitost a fotokatalytická aktivita. Zkoumáme ekonomicky efektivní a reprodukovatelné metody syntézy vysoce aktivního g-C₃N₄. Fotoaktivita připravených filmů je testována pomocí unikátního fotomikroreaktoru s úzkou štěrbinou umístěném na optické lavici na řadě obtížně odstranitelných polutantů vyskytujících se v odpadních vodách např. rezidua antibiotik.

Návrh technologie pro přechod ze vsádkové výroby na kontinuální studujeme konkrétně na případu N-alkylačních reakcí pro syntézu léčiv. Tato případová studie N-alkylace derivátů kyseliny lysergové představuje rychlou exotermickou reakci probíhající na rozhraní mezi vodnou a organickou fází. Rychlá reakce na fázovém rozhraní je umožněna díky přítomnosti tzv. katalyzátoru fázového přenosu. Současný stav přípravy zahrnuje vsádkový proces s výtěžky pouze kolem 80 % a použití toxických alkylačních činidel. Intenzifikace této reakce, která je limitována přenosem hmoty na fázovém rozhraní má potenciál pro zvýšení výtěžku i pro nahrazení toxického alkylačního činidla ekologičtější, ale méně aktivní alternativou, např. methylkarbonátem.

S rozvojem aditivních výrobních technologií (3D tisku) se periodické otevřené struktury (POCS) jeví  jako vhodná alternativa k náhodně sypaným vrstvám částic, které představují nejpoužívanější náplně katalytických zkrápěných reaktorů. Optimalizací geometrie POCS struktury mají vysoký potenciál pro zlepšení transportních charakteristik, jako je tlaková ztráta, parametry přenosu hmoty a tepla. Navrhujeme proto parametrické sady POCS struktur, tiskneme na 3D tiskárně a experimentálně zkoumáme jejich chování z hlediska charakteristik dvoufázového proudění. Výsledky porovnáváme s výsledky výpočetní mechaniky tekutin (CFD), aby bylo možné pochopit a popsat vliv geometrie a topologie na výsledný charakter dvoufázového proudění.

Úspěšně jsme připravili a otestovali tenké vrstvy na bázi grafitického nitridu uhlíku v mikroreaktoru se štěrbinovou geometrií. Filmy byly připraveny ze směsi rozemletého práškového fotokatalyzátoru a pojiva. Byl studován vliv následného žíhání a aplikace plazmatu. Fotoaktivita byla testována na degradaci rhodaminu B a antibiotika tetracyklinu jako nežádoucího polutantu v odpadních vodách. Tenkovrstvá forma fotokatalyzátoru v mikroreaktoru měla asi 50x vyšší specifickou aktivitu ve srovnání s formou suspenze.

• Dolai S., Vanluchene A., Stavárek P., Dzik P., Fajgar R., Soukup K., Klusoň P., Graphitic carbon nitride thin films for light-induced photocatalysis in a slit geometry microreactor, J. Environ. Chem. Eng. 10(6), 108790, 2022. DOI

Navrhli jsme reverzibilní dvoufázový systém pro praktické použití při asymetrické hydrogenaci prováděné v mikrofluidním čipovém reaktoru. Jako modelová reakce byla zvolena hydrogenace methylacetoacetátu (MAA), jež byl transformován na (R)-methylhydroxybutyrát na opticky čistém katalyzátoru (R)-Ru-BINAP. Reakční směs je za reakčních podmínek homogenní, zatímco po ochlazení vznikají dvě fáze. Methanolová fáze obsahuje požadovaný produkt, zatímco fáze iontové kapaliny obsahuje iontovou kapalinu s katalyzátorem, kterou lze jednoduše oddělit a znovu použít v reakci.

• Klusoň P., Stavárek P., Pěnkavová V., Vychodilová H., Hejda S., Bendová M., Došek M., Design of the reversible biphasic arrangement in the microfluidic chip reactor for asymmetric hydrogenation reactions. Chem. Eng. Res. Des. 153, 537-546, 2020. DOI

Výhodné vlastnosti mikro- a mili-reaktorů, jako je vysoký poměr vnitřního povrchu k objemu a dobrá kontrola reakčních podmínek (teplota, tlak), se uplatňují při studiu katalytických selektivních oxidací pro výrobu speciálních chemikálií. Vyvinuli jsme, navrhli a vyrobili katalytický reaktor s dlouhou reakční dráhou, který umožňuje studovat proces selektivní oxidace na katalyzátoru za průmyslově relevantních podmínek (tvar katalyzátoru, teplota, tlak, podmínky proudění).

• Dolai S., Bhunia S.K., Kluson P., Stavarek P., Pittermannova A., Solvent-Assisted Synthesis of Supramolecular-Assembled Graphitic Carbon Nitride for Visible Light Induced Hydrogen Evolution – A Review, ChemCatChem 14(4), e202101299, 2021. DOI
• Stavárek P., Lali F., Dubois J.-L., Fatty nitrile esters hydrogenation for biosourced polyamide polymers, in: Industrial Green Chemistry, Kaliaguine S., Dubois J.-L. (Eds.), De Gruyter 2020, Chapter 4, pp. 77-114. DOI
• García S., Poulston S., Stavarek P., Ni-free hydrogenation of natural products for the personal care industry: case study, squalene hydrogenation, in: Industrial Green Chemistry, Kaliaguine S., Dubois J.-L. (Eds.), De Gruyter 2020, Chapter 5, pp. 115-138. DOI
• Stavarek P., Kluson P., Penkavova V., Bandzuch J., Verified technology: Continuous production of acrylic resin by radical polymerization, in: CAS (Ed.) Czech Republic, 2019. RIV
• García S., Poulston S., Modeshia D., Stavarek P., Ujcic M., Lali F., Alves M.A., Araújo J.D., Krusche M., Ullrich F., Maier D., Continuous Production of Squalane Using 3D Printed Catalytic Supports, Johnson Matthey Technology Review 63(3), 191-204, 2019. DOI
• Gaálová J., Hejda S., Stavárek P., Sýkora J., Fajgar R., Kluson P., Izák P., Pervaporation of (R)/(S)-methyl 3-hydroxybutyrate (∑MHB) from a mixture containing an ionic liquid, methanol and Ru catalyst, Sep. Purif. Technol. 222, 45-52, 2019. DOI