Новости

26 апреля, 2022 12:57

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.
Источник: Pixabay
 
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.

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

 
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.
 
18 мая, 2022
Новые графитоподобные катализаторы помогут с рекордной эффективностью получать топливо для солнечной водородной энергетики
Новосибирские ученые предложили метод синтеза высокоактивного фотокатализатора для получения водород...
16 мая, 2022
Ученые синтезировали стабильные светящиеся нанометки, перспективные для диагностики рака
Санкт-Петербургские физики вместе с коллегами из Городского университета Гонконга предложили способ ...