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 (Томский научный центр СО РАН). По словам заведующего лабораторией Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН доктора химических наук Бориса Николаевича 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 такой обработки уменьшается кристалличность древесины, разрушается ее подструктура и формируются 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 (этанола) в сверхкритическом состоянии. В таком состоянии он 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.
К активированной смеси катализатора и древесины добавляли этанол и помещали в герметичную камеру, нагретую до температуры 300 °С. В этих условиях растворитель находится в сверхкритическом состоянии. В реакторе происходило разложение древесины на 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 субстанции 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».
