Научные достижения химического факультета
27.04.2022
Ученые усовершенствовали метод получения биотоплива
из растительных отходов
Российские
ученые предложили простой и экологичный способ переработки бионефти. С его
помощью из растительного сырья, например из обычных щепок, можно получить
высококачественное топливо. Предложенная технология позволяет задействовать
воду, которая содержится в бионефти, в качестве источника водорода для
облагораживания сырья и улучшения его свойств. Такой поход дает возможность
перерабатывать бионефть, минуя дорогостоящую стадию отделения воды. Результаты
исследования, поддержанного грантом Президентской
программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied
Catalysis B: Environmental.
Бионефть
на сегодняшний день рассматривается в качестве альтернативы ископаемому
топливу, поскольку ее получают из возобновляемого растительного сырья, например
сельскохозяйственных культур или отходов лесной, деревоперерабатывающей и
целлюлозно-бумажной промышленности. Однако бионефть по сравнению с обычной
нефтью содержит большое количество воды (до 30%), а также несет в себе в разы
больше (до 60%) кислородсодержащих соединений, таких как альдегиды, кислоты,
кетоны и фенолы. Наличие этих веществ обусловливает высокую кислотность
бионефти, а значит, и коррозионную активность. Кислородсодержащие соединения
делают бионефть нестабильной при хранении, повышают ее вязкость. Кроме того,
высокое содержание кислорода отрицательно сказывается на теплотворной
способности бионефти, а еще она плохо смешивается с другим углеводородным
топливом.
Устранить
недостатки бионефти можно путем очистки, направленной, главным образом, на
удаление кислородсодержащих соединений, — гидродеоксигенацией. Такой процесс
проводится под давлением водорода, который "забирает" из сырья кислород.
Подобные реакции не могут идти самопроизвольно и требуют катализаторов —
веществ, ускоряющих химические превращения. Так, для обработки бионефти лучше
всего подходят сульфидные катализаторы, содержащие соединения переходных
металлов — никеля, кобальта, вольфрама, молибдена. Они обладают высокой
активностью и устойчивостью к действию кислородсодержащих соединений, однако
для них губительно наличие воды, которая разрушает структуру катализатора, и он
необратимо дезактивируется. Поэтому перед переработкой бионефти необходимо
удалить из нее воду, а это в ряде случаев малоэффективно и сильно удорожает
процесс.
Ученые
Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва),
Российского
государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва), Института
нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева (Москва) и Самарского
государственного технического университета (Самара) нашли выход из ситуации.
Они предложили не отделять воду, а использовать ее в качестве источника
водорода, необходимого для облагораживания бионефти. Благодаря этому процесс
переработки становится очень экономичным, поскольку может быть осуществлен в
одну стадию.
Поскольку бионефть представляет собой
многокомпонентную сложную систему, ученые проводили исследования на модельном
сырье. Им в эксперименте выступал гваякол — природное органическое вещество,
большое количество которого содержится в древесных отходах, — в смеси с
органическим растворителем и водой, что имитирует состав бионефти. В качестве
предшественников активного компонента катализатора использовались
нефтерастворимые соли молибдена и никеля, а для его перевода в сульфидную форму
добавляли серу. Эксперименты проводились в герметичном реакторе периодического
действия под давлением монооксида углерода (СО) при температуре 320–380℃
и интенсивном перемешивании. Весь процесс занимал от четырех до восьми часов.
Под действием температур в присутствии серы происходила трансформация солей
металлов с образованием катализатора, который представлял собой черный порошок
и легко отделялся от жидких продуктов. Сам процесс облагораживания включал
несколько реакций: взаимодействие монооксида углерода с водой (реакция водяного
газа) с образованием водорода и, непосредственно, гидродеоксигенацию.
Ученые
неоднократно повторили эксперимент, варьируя различные условия: состав
катализатора, содержание серы, количество водорода в газовой смеси и воды в
реакционной системе, а также температуру и давление. Оказалось, что наиболее
эффективно очистка происходила при использовании никель-молибденового
катализатора, когда содержание серы составляло около 1,5%. Это можно объяснить
тем, что сера предотвращала окисление катализатора, и тем самым сохраняла его
активность. Кроме того, оказалось, что источник водорода и давление СО в
газовой смеси, которой заполнялся реактор, практически не влияли на степень
очистки.
Неудивительно,
что важным фактором оказалось количество воды, которая была в модельном сырье,
поскольку именно она служила источником необходимого водорода. Так, оптимальное
содержание воды составило 20–40%. При более низких значениях водорода не
хватало для эффективного удаления кислородсодержащих соединений, а при более
высоких вода снижала активность катализатора. Кроме того авторы определили, что
наиболее быстро очистка проходила при самой высокой из рассмотренных температур
— 380℃.
"Полученные
нами данные позволяют предложить пути усовершенствования переработки бионефти,
благодаря которой из растительного сырья можно быстро и дешево получить
высококачественное биотопливо. Предложенный нами способ позволяет задействовать
воду, которая содержится в бионефти, в качестве источника водорода для
облагораживания сырья и улучшения его свойств. Такой поход дает возможность
перерабатывать бионефть, минуя стадию отделения воды. Установленные нами
закономерности и механизмы открывают возможности управления процессом с
получением целевых продуктов. В дальнейшем мы планируем детально исследовать
особенности превращения других кислородсодержащих молекул, как отдельно, так и
в составе многокомпонентных смесей, что необходимо для понимания химизма
процесса и его "адаптации" к реальному сырью", — рассказывает
руководитель проекта по гранту РНФ Анна Вутолкина, кандидат химических наук,
старший научный сотрудник химического факультета МГУ.
Ссылка на статью:
A.V.Vutolkina, I.G.Baigildin, A.P.Glotov, Al.A.Pimerzin, A.V.Akopyan, A.L.Maximov, E.A.Karakhanov
Hydrodeoxygenation of guaiacol H2 generated through a water gas shift reaction over dispersed NiMoS catalysts from oil-soluble precursors: Tuning the selectivity towards cyclohexene
Applied Catalysis B: Environmental
Volume 312, 5 September 2022, 121403
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121403
Рисунок
1. Гидродеоксигенация гваякола в условиях реакции водяного газа и структура
сульфидного никель-молибденового кататализатора, образующегося в ходе
высокотемпературного разложения-сульфидирования предшественников активного
компонента. Источник: Анна Вутолкина.
