Разработка фундаментальных основ аддитивной технологии переработки биомассы с целью получения ценных химических соединений и топливных компонентов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 15-13-20015

НазваниеРазработка фундаментальных основ аддитивной технологии переработки биомассы с целью получения ценных химических соединений и топливных компонентов

Руководитель Ребров Евгений Викторович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" , Тверская обл

Конкурс №8 - Конкурс 2015 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований в небольших группах под руководством ведущих российских и зарубежных ученых»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии

Ключевые слова аддитивная технология, конверсия целлюлозной биомассы, гидрогенодиз, магнитоотделяемые катализаторы, ультразвуковая обработка, суб- и сверхкритические условия, микрореактор, полиолы, компоненты биотоплива

Код ГРНТИ61.29.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Конкуренция на нефтехимическом рынке возрастает, и он продолжает оставаться в серьезной зависимости невозобновляемых источников энергии. При этом сырье становится все более дорогостоящим, растут энергетические затраты, повышаются требования к качеству конечной продукции, требуется снижение нагрузки на окружающую среду, повышение устойчивости работы промышленных объектов и обеспечение промышленной безопасности. Соответственно, в настоящее время требуется решить такую проблему, как повышение экономической эффективности с помощью экологически безопасных и устойчивых технологий путем применения современных каталитических технологий и использования возобновляемых источников ресурсов. Решение подобных проблем достигается не столько путем улучшения отдельных стадий и условий проведения технологических процессов, сколько применением интегрированного подхода. Новые фундаментальные и прикладные данные о процессах конверсии целлюлозы в глюкозу, сорбит и многоатомные спирты с использованием аддитивных (каталитических, субкритических, ультразвуковых, микрофлюидных) технологий, позволят в дальнейшем создать эффективные и экологически чистые способы переработки целлюлозосодержащего сырья (отходов деревообрабатывающих предприятий, макулатуры, некоторых видов культурных растений и др.) в востребованные современной химической и топливной промышленностью вещества. Для процесса гидролитического гидрирования целлюлозы впервые будут использованы высокоэффективные Ru-содержащие катализаторы на основе сверхсшитого полистирола в том числе магнитоотделяемые. Кроме того, для повышения выхода целевого продукта (сорбита или низших полиолов, в зависимости от условий реакции), будет применяться ультразвуковая обработкa исходных водных дисперсий целлюлозы. Предполагается, что это позволит проводить процесс при более низких температурах, при которых потери целевых продуктов будут снижены вследствие уменьшения скорости их гидрогенолиза. Гидролиз целлюлозы в субкритической воде имеет ряд преимуществ, которые делают этот метод наиболее перспективным в процессах переработки целлюлозной биомассы. Такой гидролиз протекает быстро, не требует наличия минеральных кислот или щелочей и в конечном итоге получается водный раствор продуктов гидролиза. В представленном проекте предварительная обработка целлюлозы (её водной дисперсии) будет впервые проводиться низкочастотным ультразвуком. Влияние мощного ультразвука на химические реакции связано с эффектом кавитации. Известно, что гидролиз целлюлозы в субкритической воде идёт на поверхности её частичек. Поэтому увеличение удельной поверхности частиц приведёт к ускорению процесса гидролиза и позволит проводить его в более «мягких» условиях, предотвращающих распад глюкозы. Кроме того, инициаторы проекта уже имеют опыт получения микронизированных форм природных полисахаридов посредством ультразвуковой обработки. С учётом имеющегося опыта у инициаторов и литературных данных, можно утверждать, что ультразвуковая обработка исходной целлюлозы позволит значительно повысить эффективность процесса гидролиза целлюлозы в среде субкритической воды. В рамках проекта также впервые будут проведены исследования процесса гидрирования глюкозы в непрерывных условиях с использованием микрофлюидных технологий. Исследования последних лет говорят о перспективности данного технологического направления, способного существенно повысить эффективность, производительность химических процессов. Применение микрофлюидных реакторов позволяет значительно увеличить скорость синтеза различных органических соединений за счет увеличения в подобных системах коэффициентов массо- и теплопередачи, что, как следствие, позволяет уменьшить размеры реакторных установок до перевозимых блочных модулей, снизить энергопотребление и повысить экологичность химических производств. В данном проекте впервые предлагается использование для процесса гидролитического гидрирования целлюлозы Ru-содержащих катализаторов на основе полимерной матрицы сверхсшитого полистирола (СПС). Характеризующийся высокой пористостью и высокими сорбционными свойствами, СПС может быть использован в качестве подложки для нанокомпозитных катализаторов, на которых происходит активное превращение субстратов, обусловленное их быстрым концентрированием в фазе сорбента. Поскольку СПС способен набухать в любых растворителях, доступ к каталитическим центрам обеспечивается практически для всех реакционных сред. Таким образом, использование каталитических систем на основе СПС может существенно повысить эффективность процесса гидролитического гидрирования целлюлозы. Фундаментальные исследования, запланированные в представленном проекте, актуальны и находятся в соответствии с общемировыми тенденциями развития технологий переработки возобновляемых ресурсов (целлюлозной биомассы, в частности) в сырьё для производства химических веществ и биотоплива второго поколения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Valentina G. Matveeva, Esther M. Sulman, Oleg V. Manaenkov, Anastasia E. Filatova, Olga V. Kislitsa, Alexander I. Sidorov, Valentin Yu. Doluda, Mikhail G. Sulman Сellulose hydrolytic hydrogenation in subcritical water with the use of the new type of the catalysts WSEAS Transactions on Biology and Biomedicine, Volume 12, 2015, Art. #8, pp. 51-61 (год публикации - 2015)

2. В.П. Молчанов, Е.В. Ребров, М.Е. Григорьев, И.П. Шкилева, О.В. Матвеева Физико-химическое исследование процессов биоконверсии растительного сырья и органических отходов с получением эффективных удобрений и кормовых добавок Научно-технический вестник Поволжья, №5, с. 70-72 (год публикации - 2015)

3. Esfir M. Sulman, Valentina G. Matveeva, Mikchail G. Sulman, Irina P. Shkileva Nanocomposites Catalysts for Sustainable Chemistry and Environmental Protection WSEAS Transactions on Environment and Development, Volume 11, 2015, Art. #18, pp. 163-172 (год публикации - 2015)

4. А.А. Степачева, Е.И. Шиманская, Е.С. Мигунова, В.Н. Сапунов, В.Г. Матвеева, А.М. Сульман, В.Ю. Долуда, Е.В. Ребров Каталитическое гидрирование карбоксильной группы жирных кислот Научно-технический вестник Поволжья, №5, с. 79-81 (год публикации - 2015)

5. В.А. Стригина, В.Ю. Долуда, В.Г. Матвеева, А.С. Скворцов, М.Г. Сульман, Э.М. Сульман, Е.В. Ребров Исследование жидкофазного каталитического восстановления фурфурола Научно-технический вестник Поволжья, №5, с. 82-84 (год публикации - 2015)

6. Е.И. Шиманская, А.А. Степачева, Ю.В. Луговой, Э.М. Сульман, А.Е. Филатова, М.Г. Сульман, Е.В. Ребров Переработка лигнина и лигнин-содержащего сырья в жидкие топлива Научно-технический вестник Поволжья, №5, с. 99-101 (год публикации - 2015)

Публикации

1. Манаенков О.В., Манн Д.Д., Кислица О.В., Лозовый Я., Штейн Б.Д., Морган Д.Г., Пинк М., Лепендина О.Л., Шифрина З.Б., Матвеева В.Г., Сульман Э.М., Бронштейн Л.М. Ru-Containing Magnetically Recoverable Catalysts: A Sustainable Pathway from Cellulose to Ethylene and Propylene Glycols ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 21285−21293 (год публикации - 2016)
10.1021/acsami.6b05096

2. Лв Х.-Н., Ребров Е.В., Гао П.-Ж., Ма Р.-Х., Лю Ж.-Л., Хю Ж. Controllable synthesis of one-dimensional isolated Ni0.5Zn0.5Fe2O4 microtubes for application as catalyst support in RF heated reactors Ceramics International, 42, 6 (2016) 7793-7802 (год публикации - 2016)
10.1016/j.ceramint.2016.01.214

3. Сульман Э.М., Матвеева В.Г., Манаенков О.В., Филатова А.Е., Кислица О.В., Долуда О.В., Ребров Е.В., Сидоров А.И., Шиманская Е.И. Cellulose hydrogenolysis with the use of the catalysts supported on hypercrosslinked polystyrene AIP Conf. Proc., 1787, 030004-1–030004-6 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4968069

4. Беирд Н., Лозовый Я., Юзик-Климова Е.Ю., Кучкина Н.В., Шифрина З.Б., Пинк М., Штейн Б.Д., Морган Д.Г., Ванг Т., Рубин М.А., Сидоров А.И., Сульман Э.М., Бронштейн Л.М. Zinc-containing magnetic oxides stabilized by a polymer: One phase or two? ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8 (1), 2016, P. 891-899 (год публикации - 2016)
10.1021/acsami.5b10302

5. Манн Д., Долуда В.Ю., Леонард К., Лозовый Я.Б., Морган Д.Г., Букатов С.С., Шифрина З.Б., Штейн Б.Д., Черкасов Н., Ребров Е.В., Хармс З.Д., Пинк М., Сульман Э.М., Бронштейн Л.М. Metal oxide–zeolite composites in transformation of methanol to hydrocarbons: do iron oxide and nickel oxide matter? RSC Advances, RSC Adv., 2016, 6, 75166 (год публикации - 2016)
10.1039/c6ra19471k

6. Черкасов Н., Ибхадона А.О., Ребров Е.В. Solvent-free semihydrogenation of acetylene alcohols in a capillaryreactor coated with a Pd–Bi/TiO2catalyst Applied Catalysis A: General, 515 (2016) 108–115 (год публикации - 2016)
10.1016/j.apcata.2016.01.019

7. Фернандез Х., Сотенко М., Деревщиков В., Лысиков А., Ребров Е.В. A radiofrequency heated reactor system for post-combustion carbon capture Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 108 (2016) 17–26 (год публикации - 2016)
10.1016/j.cep.2016.07.004

8. Лиск Ф., Боннот Е., Раман М.Т., Поллард Р., Боуман Р., Дегирменци В., Ребров Е.В. Magnetic actuation of catalytic microparticles for the enhancement of mass transfer rate in a flow reactor Chemical Engineering Journal, 306 (2016) 352-361 (год публикации - 2016)

Публикации

1. N. Cherkasov, V. Jadvani, J. Mann, Ya.B. Losovyj, Шифрина З.Б., Бронштейн Л.М., Ребров Е.В. Hydrogenation of bio-oil into higher alcohols over Ru/Fe3O4-SiO2 catalysts Fuel Processing Technology, 167 (2017) 738–746 (год публикации - 2017)
10.1016/j.fuproc.2017.08.011

2. M. Sotenko, J. Fernandez, G. Hu, Деревщиков В., Лысиков А., Пархомчук Е., Семейкина В., Окунев А., Ребров Е.В. Performance of novel CaO-based sorbents in high temperature CO2 capture under RF heating Chemical Engineering & Processing: Process Intensification, 122 (2017) 487–492 (год публикации - 2017)
10.1016/j.cep.2017.05.009

3. Проценко И.И., Никошвили Л.Ж., Быков А.В., Матвеева В.Г., Сульман А.М., Сульман Э.М., Ребров Е.В. Hydrogenation of levulinic acid using Ru-containing catalysts based on hypercrosslinked polystyrene Green Processing and Synthesis (год публикации - 2017)
10.1515/gps-2016-0189

4. Сульман Э.М., Филатова А.Е., Манаенков О.В., Молчанов В.П., Матвеева В.Г. The Kinetic Research of Cellulose Conversion to Polyols 17th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2017: Conference Proceedings (год публикации - 2017)
10.5593/sgem2017/42

5. S. Chatterjee, T.K. Houlding, Долуда В.Ю., Молчанов В.П., Матвеева В.Г., Ребров Е.В. Thermal Behavior of a Catalytic Packed-Bed Milli-reactor Operated under Radio Frequency Heating Industrial & Engineering Chemistry Research (год публикации - 2017)
10.1021/acs.iecr.7b01723

6. J. Garcia-Aguilar, J. Fernandez-Garcia, Ребров Е.В., M.R. Lees, P. Gao, D. Cazorla-Amorosa, A. Berenguer-Murcia Magnetic zeolites: novel nanoreactors through radiofrequency heating Chemical Communication, 53, 4262 (год публикации - 2017)
10.1039/c7cc01138e

7. Сульман Э.М., Григорьев М.Е., Демиденко Г.Н., Шкилева И.П., Матвеева В.Г. The Use of Ru/MN 100 for Monosaccharide Hydrogenation 17th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2017: Conference Proceedings (год публикации - 2017)
10.5593/sgem2017/42

8. Ya. Liu, N. Cherkasov, P. Gao, J. Fernandez, M.R. Lees, Ребров Е.В. The enhancement of direct amide synthesis reaction rate over TiO2@SiO2@NiFe2O4 magnetic catalysts in the continuous flow under radiofrequency heating Journal of Catalysis, 355 (2017) 120–130 (год публикации - 2017)
10.1016/j.jcat.2017.09.010