Биомасло из лигнина для производства топлива следующего поколения

При более низких температурах - ниже 100 градусов по Цельсию - было отмечено снижение образования кокса и смолы на поверхности платинового катализатора. Появилась возможность использовать один и тот же платиновый катализатор как минимум десять раз без ухудшения его каталитической активности

Низкотемпературный многофазный процесс преобразования лигнина в биомасло с последующим получением из него углеводородного топлива расширит область применения низкосортного древесного сырья, являющегося в большей степени отходами производства целлюлозы и биоэтанола.

Используя двойную каталитическую систему, состоящую из сверхкислотных и платиновых частиц, исследователи продемонстрировали, что могут, добавляя водород и удаляя кислород из лигнинового биомасла, улучшать его полезные качества как топлива и источника ценного химического сырья. Процесс, основанный на необычном водородном цикле, может происходить при низкой температуре и давлении окружающей среды, повышая удобство технологического процесса и снижая потребление энергии.

«Мировое производство лигнина при производстве бумаги и биоэтанола составляет 50 миллионов тонн в год, и более 95% из них просто сжигается для выработки тепла. Необходим поиск практических методов улучшения низкомолекулярных соединений лигнина, чтобы сделать их коммерчески привлекательными, производя из них качественное биотопливо и ценные биохимические продукты».

Целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин извлекаются из деревьев, трав и другой биомассы. Целлюлоза используется для производства бумаги, этанола и других продуктов, однако лигнин - материал со сложной структурой, придающий прочность растениям, - в основном не используется, поскольку его трудно преобразовать в масла с низкой вязкостью, которые можно использовать для производства керосина или дизельного топлива.

Пиролиз, протекающий при температурах выше 400 градусов по Цельсию, можно использовать для производства из лигнина биомасла, такого как фенол, но в его составе нет достаточного количества водорода и, наоборот, слишком много атомов кислорода, препятствующих его использованию в качестве топлива.

В настоящее время решение этой проблемы включает в себя добавление водорода и удаление кислорода с помощью каталитического процесса, известного как гидродеоксигенация. Однако этот процесс требует высоких температур и давлений, в десять раз превышающих параметры окружающей среды, и сопровождается образованием полукокса и смол, которые резко снижают эффективность платинового катализатора.

Целью исследователей стала разработка нового процесса на основе раствора, который способен добавлять в процесс преобразования мономеров масла водород и удалять из них кислород, используя водородную буферную каталитическую систему.

Поскольку водород имеет очень ограниченную растворимость в воде, реакция гидрирования или гидродеоксигенация лигнинового биотоплива в растворе очень затруднена. Исследователи использовали полиоксометаллатную кислоту H₄SiW₁₂O₄₀ (SiW₁₂), как в качестве агента переноса водорода, так и катализатора реакции, способствующего переносу газообразного водорода из межфазного состояния газ-жидкость в объемный раствор через обратимую экстракцию водорода.

В результате этого процесса в качестве активного компонента на поверхности наночастиц платины высвобождается водород H*, что решает ключевую проблему низкой растворимости водорода в воде при низком давлении.

«На платине полиоксометаллатная кислота захватывает заряд у водорода с образованием H⁺, который растворим в воде, но эти заряды также могут обратно переноситься на H⁺ с образованием в растворе активного H*». В результате газообразный водород переходит в водную фазу с образованием активного H*, который может напрямую реагировать с лигниновым маслом.

На втором этапе необычного водородного цикла полиоксометаллатная кислота создает основу для удаления кислорода из мономеров биомасла.

«Сверхкислота может снизить энергию активации, необходимую для удаления кислорода, оставляя и в то же время в растворе больше активного водорода H*, который вступает в реакцию с молекулами биомасла».

Частицы платины и полиоксометаллатную кислоту можно повторно использовать в течение нескольких циклов без снижения эффективности процесса. Было обнаружено, что эффективность гидрогенизации и гидродеоксигенации лигнинового масла варьируется в зависимости от наличия конкретных мономеров в биомасле.

«Были протестированы 15 или 20 различных молекул, полученных с помощью пиролиза, и обнаружено, что эффективность преобразования варьируется от 50 процентов на нижнем уровне до 99 процентов на самом высоком».

При более низких температурах - ниже 100 градусов по Цельсию - было отмечено снижение образования кокса и смолы на поверхности платинового катализатора. Появилась возможность использовать один и тот же платиновый катализатор как минимум десять раз без ухудшения его каталитической активности.

Связанная статья журнала Nature Energy: https://doi.org/10.1038/s41560-020-00680-x

Источник: Georgia Institute of Technology