Ученые Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) в сотрудничестве с российскими и французскими коллегами усовершенствовали технологию получения жидких углеводородных продуктов из отходов древесной биомассы. Новизна подхода заключается в сочетании предварительной механической активации смеси древесных опилок и цеолитных катализаторов и термической конверсии активированной смеси в сверхкритическом этаноле. Исследователям удалось подобрать такой режим переработки смеси осины и катализатора, при котором выход биомасла достигает 89%. Получаемые соединения могут быть использованы для производства топливных добавок и полимеров различного назначения. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Analytical and Applied Pyrolysis.

Изображение исходной структуры древесины осины ...

Изображение исходной структуры древесины осины полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Смесь древесины и катализатора после механическ...

Смесь древесины и катализатора после механической обработки. 1 — частицы древесины, 2 — частицы катализатора.

Глубокая переработка древесных отходов — одно из направлений развития «зеленой» химии. Основная сложность в переработке древесины связана с необходимостью расщепления таких сложных соединений, как целлюлоза и лигнин. Традиционная технология скоростного пиролиза растительной биомассы при температурах 500-700°С позволяет получать жидкие органические вещества. Однако они малопригодны для дальнейшего использования.

Коллектив ученых из России и Франции совместил несколько существующих подходов к переработке древесины, что позволило увеличить конверсию биомассы в востребованные углеводородные соединения. Исследователи подобрали такой режим воздействия на смесь отходов осины и катализатора, при котором выход жидких продуктов достигал 89% от массы исходного сырья. Технология была отработана на осине, так как этот вид деревьев по занимаемой площади в России находится на втором месте среди всех лиственных пород, уступая только березе. При этом осина считается малоценной породой.

Чтобы ускорить преобразование биомассы ученые предложили использовать твердые кислотные цеолитные катализаторы. Цеолиты — это минералы в состав которых входят кремний и алюминий. В работе использовали цеолиты с различным соотношением кремния и алюминия, синтезированные в Институте химии нефти СО РАН. По словам доктора химических наук, заведующего лабораторией Института химии и химической технологии КНЦ СО РАН Бориса Кузнецова достоинство твердых кислотных катализаторов в том, что они могут быть легко выделены из реакционной среды, восстановлены и вновь использованы для ускорения реакции.

Смесь древесины и катализатора подвергалась механохимической активации. В ходе механической обработки уменьшается кристалличность древесины, разрушается ее подструктура и образуются небольшие образования из частиц древесины и катализатора. Гомогенное распределение катализатора в реакционной смеси необходимо для быстрого протекания реакции.

Снизить температуру реакции и повысить ее эффективность стало возможным за счет использования органического растворителя в сверхкритическом состоянии. В таком состоянии растворитель ведет себя одновременно как жидкость и как газ. Подобно газам — сжимается, имеет низкую вязкость и высокую проникающую способность. Подобно жидкостям — является хорошим растворителем органических и неорганических веществ. В качестве растворителя ученые использовали этанол. Это связано с тем, что значения его критических температуры и давления не превышают оптимальные параметры для переработки древесной биомассы.

К активированной смеси катализатора и древесины добавляли этанол и помещали в герметичную камеру, нагретую до температуры 300°С. В этих условиях этанол находится в сверхкритическом состоянии. В реакторе происходило разложение древесины в жидкие, газообразные и твердые продукты. Ученые исследовали несколько режимов термической конверсии активированных смесей древесины осины и цеолитов при разном давлении. В результате были подобраны условия (температура, давление, состав катализатора), которые обеспечивают образование максимального количества жидких продуктов (биомасел). Полученные продукты после серии преобразований могут стать компонентами биотоплив и сырьем для производства полимерных материалов.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда в рамках реализации проекта "Разработка новых методов получения ценных химических продуктов путем каталитической деполимеризации органосольвентных древесных лигнинов".

Дополнительная информация для СМИ по телефону 8 983-144-41-15, Екатерина Бурчевская, специалист по связям с общественностью группы научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН.