Oblasti istraživanja

Istraživanja grupe za Heterogenu katalizu CKHI su usmerena na razvoj novih katalizatora za hidrogenizaciju biljnih ulja, proizvodnju biodizela transesterifikacijom, fotokatalitičko dobijanje vodonika, oksidativnu i fotokatalitičku degradaciju zagađujućih materija u vodi i izradu senzornih materijala za detekciju organskih jedinjenja u biološkim tečnostima.

Novi postupci dobijanja katalizatora za proizvodnju biodizela zasnovani su na valorizaciji čvrstih otpadnih materijala nastalih u termoenergetskim sistemima (elektrofilterski leteći pepeo) i u domaćinstvu (pepeo iz kotlova, ostaci hrane, poljoprivredni ostaci). Postupci su usmereni na dobijanje zeolitnih materijala koji ispunjavaju uslove dobrih katalitičkih nosača i dizajniranje katalizatora koji će biti aktivni i otporni čak kod primene otpadnih sirovina (višestruko korišćena restoranska i otpadna ulja) u dobijanju biodizela novijih generacija. Testiranje katalizatora se sprovodi kako u šaržnim, tako i u kontinualnim reaktorskim sistemima. Posebna pažnja posvećena je izučavanju heterogeno katalizovane traneseterifikacije u mikroreaktorskim sistemima, gde se reaktorski sistemi projektuju tako da se obezbedi neometan prenos mase i toplote.

U procesima katalitičke oksidativne degradacije (KOD) zagađujućih materija u vodi koriste se katalizatori na bazi glina, prirodnih, netoksičnih i ekonomski isplativih sirovina, koje modifikovanjem različitim postupcima dobijaju željena katalitička svojstva. U cilju dobijanja efikasnih katalizatora, primenjuje se hemijska modifikacija glina polihidroksilnim metalnim katjonima ili kiselinama. Ovi katalizatori koriste se u KOD Fentonovog tipa sa vodonik-perksidom kao izvorom peroksi radikala. Dobijeni materijali se dalje mogu impregnisati katjonima prelaznih metala čime se obezbeđuje katalitička aktivnost u KOD sa Oksonom (peroksimonosulfat) kao izvorom sulfatnih anjon radikala.

Istraživanja grupe za fotokatalizu CKHI su usmerena ka razvoju novih nanostrukturnih fotokatalitičkih materijala i njihovoj primeni u procesima konverzije energije i zaštite životne sredine. Posebna pažnja se posvećuje unapređenju i modifikaciji postojećih katalizatora za konverziju i skladištenje sunčeve energije (dobijanje vodonika fotokatalitičkim razlaganjem vode, veštačka fotosinteza/fotoredukcija CO2). Istraživanja grupe su bazirana i na razvoju nanostrukturnih multifunkcionalnih katalizatora na bazi polimer/metal-oksid i njihovoj primeni u fotokatalitičkoj degradaciji organskih zagađivača u vodenoj sredini. Korišćenjem kvantomehaničkih izračunavanja u složenim reakcinim sistemima dobija se uvod u mehanizme i kinetiku reakcija degradacije organskih jedinjenja.

Grupa za elektrohemijska istraživanja CKHI je posvećena razvoju novih elektrodnih materijala. Glavni pravci razvoja su materijali za elektroanalitičke primene i konverziju energije. Pri razvoju elektrodnih materijala za elektroanalitičke primene fokus istraživanja je na aktivnosti, stabilnosti i selektivnosti elektrodnih materijala koji su našli primenu u medicini, kontroli hrane, životne sredine. Elektrodni materijali za konverziju energije treba da omoguće optimizaciju elektrokataličkih procesa poput redukcije kiseonika, izdvajanja kiseonika i vodonika, elektrooksidacije metanola,... Posebna pažnja se posvećuje principima ,,zelene,, hemije, kako pri odabiru metoda sinteze, tako i u odabiru uslova rada novih elektrodnih materijala (razvoj elektrodnih materijala za rad u neutralnoj sredini). Istraživanja elektrohemijskih površina, uticaja površine nosača i sinergije nosača i elektroaktivne komponente na elektrokatalitička svojstva kompozitnih materijala su od suštinskog značaja za razumevanje i optimizaciju novih elektrodnih materijala. Kako bi se ovo postiglo rezultati elektrohemijskih istraživanja su korelisani sa komplemenarnim tehnikama karakterizacije materijala.

Grupa za elektrohemijska istraživanja CKHI ostvaruje saradnju sa istraživačima iz drugih naučnih oblasti kroz primene elektrohemijskih merenja za karakterizacija materijala, praćenje mehanizama reakcija, i sl.

U okviru CKHI u saradnji sa CH aktualizovana su istraživanja u oblasti enzimske katalize usmerena na imobilizaciju enzima na neorganskim, prirodnim i modifikovanim, neškodljivim nosačima. Nosači koji se ispituju predstavljaju (alumo)silikatne (bentoniti, zeoliti i dr.) zelene materijale, rasprostranjene u prirodi, niske cene koji su termički stabilni i rezistentni na dejstvo mikroorganizama. Polazni materijali se mogu jednostavno modifikovati i na taj način dizajnirati nosači za različite komercijalne i enzime dobijene mikrobiološkom produkcijom u okviru sopstvenih istraživanja. Ovako dobijeni specifični i stabilni biokatalizatori mogu se višekratno primenjivati u kontinualnim procesima različitih industrija, počev od industrije hrane (invertni šećer, hidroliza skroba, funkcionalna hrana/prebiotici itd.). Istraživanja obuhvataju hemijske, fizičke, morfološke, strukturalne i teksturalne karakterizacije nosača enzima i imobilizata.

U oblasti homogene katalize istraživanja u CKHI su prevashodno usmerena na istraživanje kinetike i mehanizma homogenih katalitičkih procesa tokom kojih dolazi do nelinearnih fenomena poput amortizovanih ili neamortizovanih oscilacija u koncentracijama intermedijernih hemijskih vrsta, a pod dobro kontrolisanim uslovima i do pojave haosa. U fokusu naših istraživanja u ovoj oblasti su oksihalogenidni oscilatori u kojima vodonik peroksid deluje naizmenično kao redukciono i kao oksidaciono sredstvo. Istraživanja su usmerena i na razvoj primena oscilatornih reakcija, prevashodno za analitiku antioksidansnih molekula kao i drugih farmaceutski aktivnih jedinjenja, ali i na razvoj novih metoda za karakterizaciju složenih heterogenih materijala od kojih neki mogu biti i katalizatori ili adsorbensi.

Katalitičke reakcije predstavljaju po pravilu složene fizičkohemijske procese sa kompleksnom dinamikom i nelinearnom kinetikom. Istraživanja koja se u okviru IHTM sprovode u oblasti modelovanja nelinearne dinamike katalitičkih procesa usmerena su pre svega na razjašnjavanje mehanizma reakcija u kojima se javljaju oscilatorne promene koncentracije intermedijera. Jedan važan segment ovih istraživanja je identifikacija vrednosti parametara u modelima oscilatornih katalitičkih reakcija, pri kojima oscilatorna dinamika dobija formu složene haotične dinamike i dinamike mešanih modova.

U okviru oblasti hemijskog inženjerstva istražuju se fenomeni prenosa količine kretanja, toplote i mase u sistemima fluid-čestice (sa i bez hemijske reakcije) pri istostrujnom i suprotnostrujnom transportu, prečišćavanje vazduha i vode, granulacija/aglomeracija, sušenje suspenzija i pasta, ispitivanje rotacionih sistema (rotacioni reaktori, rotacioni pakovani  i fluidizovani slojevi) u svrhu intezifikacije prenosa mase i toplote u procesima polimerizacije, destilacije, ekstrakcije i kristalizacije. U saradnji sa katedrom za hemijsko inženjerstvo na TMF razvijeno je nekoliko laboratorijskih i pilot uređaja: katalitički reaktor sa pakovanim slojem katalizatora (laboratorijske i pilot jedinice), konvencionalna sprej sušnica,pilot uređaj za sušenje suspenzija u fluidizovanom sloju  i modifikovanom fontanskom sloju inertnog materijala, pilot postrojenje za granulaciju praškastih materijala i oblaganje čvrstih čestica u fluidizovanom sloju, pilot uređaj za  uklanjanje tečnog/čvrstog otpada u fluidizovanom sloju, kombinovani sistem skruber/katalitički reaktor za uklanjanje VOC, kolone za ispitivanje fluidodinamike čestica, kolonu za ispitivanje efikasnosti ekstrakcije iz čajeva, itd... Sva pomenuta postrojenja su dostupna u TMF i CKHI i mogu se koristiti u različitim oblastima, odnosno hemijskom inženjerstvu i katalizi. Ova istraživačka grupa se bavi modelovanjem i projektovanjem procesa sa fokusom na visok kvalitet proizvoda, malu potrošnju energije i minimalan uticaj na životnu sredinu uz poboljšanje efikasnosti procesa. Pored toga, na osnovu velikog iskustva grupa pruža i usluge saveta u odabiru hemijske opreme i opreme za pripremu i transport materijala.

Deo istraživanja koja se sprovode u CKHI odnose se na razvoj nanostrukturnih i hibridnih materijala na bazi filosilikata smektita i njihovoj primeni kao adsorbenasa. Ispitivan je uticaj kisele modifikacije i modifikacije izvedene metodom jonske izmene smektita na adsorpciona svojstva modifikovanih materijala. Posebna pažnja usmerena je ka razvoju multifunkcionalnih hibridnih nanokompozita dobijenih procesom interkalacije organskih jedinjenja (kvaternernih alkil-amonijum soli, odnosno biopolimera) unutar filosilikatne strukture smektita. Vrsta i količina ugrađene organske faze unutar adsorbenasa dalje je korelisana sa adsorpcionim svojstvima materijala. Pored navedenog, kao adsorbensi su testirani i aktivni ugljevi dobijeni karbonizacijom lignoceluloznog otpadnog materijala iz prehrambene industrije. Izučavane su adsorpcije različitih adsorbata: organskih zagađujućih supstanci (tekstilnih boja, fenola i njegovih derivata, farmaceutika i dr.), kao i neorganskih zagađujućih supstanci – prvenstveno jona teških metala, ali i radioaktivnih anjona. Adsorpcije su izvođene iz jedonokomponentnih i višekomponentnih rastvora adsorbata, dok su rezultati dobijenih studija interpretirani odgovarajućim kinetičkim, adsorpcionim i termodinamičkim modelima u cilju potpunog definisanja adsorpcionog sistema.