Комплексная (термическая и каталитическая) переработка отходов агропроизводства

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 20-69-47084

НазваниеКомплексная (термическая и каталитическая) переработка отходов агропроизводства

Руководитель Косивцов Юрий Юрьевич, Доктор технических наук

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

Конкурс №47 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые слова отходы агропроизводства, костра льна, химическая переработка, пиролиз, катализаторы, ценные химические продукты, горючие газы, топливные присадки, углеродные сорбенты

Код ГРНТИ44.01.91, 44.09.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
При производстве льна до 70% масс. составляет отход производства - костра. Костра - это одревесневшие части стебля льна, преимущественно в виде мелкой соломки, остающееся после стадии трепания льна. В Северо-Западном регионе РФ имеются большие постоянно пополняемые запасы льняной костры, которая сегодня в силу различных причин практически не перерабатывается. Обычно костра льна образует огромные отвалы, или отправляется на сжигание в топку для отопления заводов. Вместе с тем, резервы повышения эффективности льноводства напрямую связаны с рациональным использованием льняной костры. Комплексная переработка таких отходов представляет значительную сложность в силу неоднородности химического строения лигнина. Наиболее эффективным и промышленно легко осуществимым методом переработки таких видов отходов является метод пиролиза, который позволяет получать газообразные, жидкие и твердые углеродсодержащие продукты. Цель настоящего проекта заключается в разработке научных и инженерно-технологических основ каталитических методов комплексной переработки биомассы костры льна в ассортимент востребованных продуктов: алкилфенолы и их производные, ароматические альдегиды, топлива (газ, топливные присадки) и углеродные сорбенты. Костра льна (КЛ) состоит из целлюлозы (45-58%), лигнина (21-29%) и пентозанов (23-26%). Возможности ее химической переработки малоизученны и поэтому в рамках предлагаемого проекта планируется на начальных этапах (2020-2021 гг.) провести исследования альтернативных методов переработки костры – пиролитических, окислительных и гидрогенизационных. Затем будет проведен выбор наиболее эффективной технологической цепи переработки костры и инженерно-техническое развитие разрабатываемой технологии (2022-2023 гг.). В соответствии с вышеизложенным планируется решить перечисленные ниже задачи, исследовать и развить следующие технологические стадии переработки костры льна: 1. Кислотно-каталитический предгидролиз костры льна для активации лигноцеллюлозного остатка и получения фурфурола; 2. Каталитическое окисление лигноцеллюлозного остатка кислородом с получением ванилина, сиреневого альдегида и целлюлозного остатка; 3. Кислотно-каталитический гидролиз получаемых полисахаридов в моносахара и фурфурол; 4. Каталитическое фракционирование лигноцеллюлозного остатка гидрогенизационными методами с получением фенилпропановых производных (гваяцил- и сирингил- пропанолы, пропены и пропаны) и целлюлозного остатка; 5. Каталитическая переработка полученных ароматических продуктов в топливные присадки и компоненты топлив. 6. Переработка костры и отходов ее химической конверсии в высококалорийные горючие газы и углеродные сорбенты методами каталитического пиролиза; 7. Инженерно-технологические разработки процессов химической и термокаталитической переработки костры льна и отходов ее химической конверсии в ценные химические продукты, горючие газы и углеродные сорбенты. Обоснование преимуществ междисциплинарного подхода. Объединение усилий инженерной группы и группы академических исследователей на начальных этапах исследований и разработки методов переработки костры льна позволит принципиально ускорить практическую реализацию развиваемого процесса и улучшить качество инженерно-технических и проектных изысканий. И ускорение, и улучшение качества разработок будет обусловлено постоянным взаимодействием инженерной и академической групп, в котором они будут дополнять друг друга. Научная новизна обозначенной научной проблемы. Многие современные методы химической переработки биомассы не применялись для получения ценных химических продуктов из костры льна. По этой причине полученные в рамках настоящего проекта результаты и закономерности будут соответствовать критерию научной новизны на мировом уровне. Первые три задачи требуют взаимной увязки для обеспечения максимальной эффективности окисления лигноцеллюлоз (п.2 задач), т.е. максимальных выходов ароматических альдегидов и минимального расхода реагентов, в первую очередь щелочи. Для снижения расхода щелочи на стадии окисления можно удалять гемицеллюлозы мягким предгидролизом, а сама стадия окисления в ванилин и сиреневый альдегид может выполнять функции активации остающейся в процессе целлюлозы для каталитического и ферментативного гидролиза. Закономерности, которые можно получить при исследовании таких взаимосвязей, неизвестны в принципе, и будут соответствовать критерию научной новизны. Четвертая задача проекта направлена на получение восстановленных продуктов переработки костры, в первую очередь новых продуктов фенилпропанового ряда. Получение таких продуктов из нефтяного и угольного сырья несомненно сложнее и намного дороже по сравнению с разрабатываемыми в рамках настоящего проекта решениями. Костра льна – специфическое сырье, и особенности ее химических превращений, которые будут установлены, также будут соответствовать критериям научной новизны. Пятая задача проекта направлена на разработку методов конверсии полученных ароматических продуктов в топливные присадки и компоненты топлив. Шестая задача проекта направлена на разработку инженерно-технологических основ метода каталитического пиролиза костры льна и отходов ее химической конверсии в ценные продукты – горючие газы и углеродсодержащие сорбенты. Седьмая задача направлена на инженерно-технологические разработки процессов химической и термокаталитической переработки костры льна и отходов ее химической конверсии в ценные химические продукты, горючие газы и углеродные сорбенты при совместном взаимодействии и кооперации рабочих групп. Основной итог предлагаемого проекта будет заключаться в создании научных и инженерно-технологических основ новой комплексной технологии утилизации и переработки крупнотоннажного сельскохозяйственного отхода – костры льна – в ценные химические продукты, горючие газы и углеродные сорбенты. Среди них и продукты с очевидными перспективами сбыта на мировом и российском рынках ванилин, фурфурол и глюкоза, топлива и сорбенты, а также новые реагенты, такие как гваяцил- и сирингилпропаны и их производные, рынок которых будет развиваться в соответствии с общими тенденциями устойчивого развития современной цивилизации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Фомичева Н.В., Рабинович Г.Ю., Прутенская Е.А., Степачева А.А., Шувалова Н.В. Microbiological Aspects of Organic Fertilizers Production Through Fast Fermentation of Organic Feedstock 20th International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO SGEM2020 (год публикации - 2020)

2. Сильченко В.А., Прутенская Е.А., Сульман Э.М., Степачева А.А., Сульман М.Г. Development of Technology for the Processing of Beans in Protein Products and Biofuel 20th International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO SGEM2020 (год публикации - 2020)

3. Молчанов В.П., Фомичева Н.В., Смирнова Ю.В., Сидоров А.И., Матвеева В.Г. Development of Technology for the Processing of Organic Waste and Renewable Plant Materials with the Production of Biologically Active Substances for Agricultural Purposes 20th International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO SGEM2020 (год публикации - 2020)

4. Луговой Ю.В., Косивцов Ю.Ю., Антонов Н.А., Чалов К.В., Степачева А.А., Сульман М.Г. Thermocatalytic Processing of Wood Waste Vth International Conference “Actual Scientific & Technical Issues of Chemical Safety” (ASTICS-2020): Book of Abstracts, P. 90-91 (год публикации - 2020)
10.25514/CHS.2020.05.7755

Публикации

1. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. Investigation of the thermal stability of flax processing waste and their derivatives CHISA Virtually 2021. Proceedings, Abstract#614. Электронный ресурс: адрес доступа: https://secure.confis.cz/chisa2021-virtually/temp/Summaries.zip (год публикации - 2021)

2. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Тарабанько В.Е., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. Kinetics of flax processing waste pyrolysis 2nd International Conference on Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis RKMC2021. Conference Proceedings, с. 39-40 (год публикации - 2021)

3. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Степачёва А.А, Косивцов Ю.Ю., Сидоров А.И., Сульман М.Г. Pyrolytical Processing of Flax Shive and it Derivatives Chemical Engineering Transactions, 86, 79-84 (год публикации - 2021)
10.3303/CET2186014

4. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Косивцов Ю.Ю., Сидоров А.И., Сульман М.Г. Slow Pyrolysis of Flax Production Waste Chemical Engineering Transactions, 88, 331-336 (год публикации - 2021)
10.3303/CET2188055

5. Хамайдула А.Д., Луговой Ю.В., Чалов К.В., Молчанов В.П., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА ПРИ СОЗДАНИИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЛЬНЯНОГО ПРОИЗВОДСТВА Химия: достижения и перспективы: сборник научных статей по материалам VI Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых, с. 269-270 (год публикации - 2021)

6. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Тарабанько В.Е., Степачёва А.А., Косивцов Ю.Ю. Fast Pyrolysis of Flax Shive in a Screw-Type Reactor Chemical Engineering and Technology, 44(11), стр. 2056–2063 (год публикации - 2021)
10.1002/ceat.202100251

7. Молчанов В.П., Косивцов Ю.Ю., Нехаева З.О., Степачёва А.А., Ожимкова Е.В. STUDY AND OPTIMIZATION OF BIOCONVERSION OF PLANT RENEWABLES AND ORGANIC WASTE 21th INTERNATIONAL MULTIDISCIPLINARY SCIENTIFIC GEOCONFERENCE & EXPO SGEM 2021. Conference Proceedings (год публикации - 2021)

Публикации

1. Луговой Ю.В., Наумов В.Д., Чалов К.В., Косивцов Ю.Ю. Кинетика деструкции микрокристаллической целлюлозы ПРОБЛЕМЫ НАУКИ. ХИМИЯ, ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ, ПРОБЛЕМЫ НАУКИ. ХИМИЯ, ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ Новомосковск, 31 октября – 02 ноября 2022 года, c. 579-588 (год публикации - 2022)

2. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. Сравнительная характеристика продуктов быстрого и медленного пиролиза костры льна Вестник ТвГУ. Серия: Химия, 1 (47), C.127-134 (год публикации - 2022)
10.26456/vtchem2022.1.13

3. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Быков А.В., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. Influence of ZSM-5 Zeolite on the Composition and Properties of Gaseous and Liquid Products of Fast Pyrolysis of Flax Processing Waste CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS, Vol. 94, pp. 661-666 (год публикации - 2022)
10.3303/CET2294110

4. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. Термокаталитическая очистка летучих продуктов быстрого пиролиза отходов льнопереработки ВЕСТНИК ТВЕРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: ХИМИЯ, 2 (48), C.23-31 (год публикации - 2022)
10.26456/vtchem2022.2.3

5. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Степачева А.А., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. Сравнение результатов быстрого и медленного пиролиза сельскохозяйственных отходов ВЕСТНИК ТВЕРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: СТРОИТЕЛЬСТВО. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, 1(13), C.70-81 (год публикации - 2022)
10.46573/2658-7459-2022-70-81

6. Косивцов Ю.Ю., Луговой Ю.В., Чалов К.В., Сидоров А.И., Сульман М.Г. Influence of Zeolite Catalysts Impregnated with Transition Metals on the Process of Deoxygenation of Volatile Products of Fast Pyrolysis of Flax Shives 22nd International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2022 (год публикации - 2022)

7. Абусуек Д.А., Ткаченко О.П., Быков А.В., Сидоров А.И., Матвеева В.Г., Сульман М.Г., Никошвили Л.Ж. ZSM-5 as a support for Ru-containing catalysts of levulinic acid hydrogenation: Influence of the reaction conditions and the zeolite acidity Catalysis Today (год публикации - 2022)
10.1016/j.cattod.2022.08.027

8. Прутенская Е.А., Мисников О.С., Сульман М.Г., Косивцов Ю.Ю. Переработка лузги подсолнечника и торфа с получением меланиновых веществ и композиционных топливных брикетов Горный журнал, № 5, С. 36-41 (год публикации - 2022)
10.17580/gzh.2022.05.04

9. Молчанов В.П., Косивцов Ю.Ю., Карпенко И.И., Сульман М.Г. Комплексная переработка органических отходов с получением биологически активных веществ и продукции сельскохозяйственного назначения Актуальная биотехнология, № 1, С. 40-44 (год публикации - 2022)

10. Луговой Ю.В.,Чалов К.В., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. Каталитический пиролиз отходов переработки льна Тверской гос. ун-т; Новгородский гос. ун-т им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И КИНЕТИКА Сборник научных трудов XII Международной научной конференции г. Тверь, 16–20 мая 2022 г., с. 176-177. (год публикации - 2022)
10.34680/978-5-89896-814-4/2022.thermodynamics

Публикации

1. Молчанов В.П., Косивцов Ю.Ю., Виноградова Е.А., Сульман М.Г. Комплексная биокаталитическая технология переработки отходов агропроизводства с получением удобрений и кормовых добавок, обогащенных биологически активными веществами Актуальная биотехнология, Вып. 1, С. 22-24 (год публикации - 2023)
10.20914/2304-4691-2023-1-22-24

2. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. Joint application of chemical and thermal approaches for processing of plant biomass waste AIP Conference Proceedings, Vol. 2526, art. 040044 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0145672

3. Долуда В.Ю., Ткаченко О.П., Степачева А.А., Сидоров А.И., Быков А.В., Сульман М.Г., Косивцов Ю.Ю. ZnO Particles Stabilized in Polymeric Matrix for Liquid-Phase Methanol Synthesis Catalysts, Vol. 13, art. 116 (год публикации - 2023)
10.3390/catal13010116

4. Косивцов Ю.Ю., Луговой Ю.В., Чалов К.В., Степачева А.А., Тарабанько В.Е., Сульман М.Г. Influence of the Pyrolysis Mode of Flax Shive on Product Composition Chemical Engineering Transactions, Vol. 103, pp. 781-786 (год публикации - 2023)
10.3303/CET23103131

5. Ю.В. Луговой, К.В. Чалов, А.В. Быков, Ю.Ю. Косивцов, М.Г. Сульман МОДИФИЦИРОВАННЫЕ АЛЮМОСИЛИКАТНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ КРЕКИНГА ЛЕТУЧИХ ПРОДУКТОВ БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЫ Вестник Тверского государственного университета. Серия «Химия»., № 2 (52) С.26-40. (год публикации - 2023)
10.26456/vtchem2023.2.3

6. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Быков А.В., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. ВЛИЯНИЕ КОБАЛЬТСОДЕРЖАЩИХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ НА ПРОЦЕСС ДЕОКСИГЕНИРОВАНИЯ ЛЕТУЧИХ ПРОДУКТОВ БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА КОСТРЫ ЛЬНА XXV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ХИМИЧЕСКИМ РЕАКТОРАМ ХимРеактор‐25, Новосибирск, 2023. С. 314-315. (год публикации - 2023)

7. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Тарабанько В.Е., Косивцов Ю.Ю., Сульман М.Г. THERMAL CATALYTIC REFINING OF GASES FROM FAST PYROLYSIS OF FLAX PROCESSING WASTE Scientific edition ASAM-8 The 8th Asian Symposium on Advanced Materials July 3 – 7, 2023, Novosibirsk, Russia Book of Abstracts Editors: Prof. A.A. Vedyagin, Prof. A.M. Volodin, Prof. Yu.V. Shubin, Dr. M.O. Kazakov, Dr. M.S. Melgunov, Dr. D.A. Shlyapin, С. 220-221 (год публикации - 2023)

8. Луговой Ю.В., Чалов К.В., Косивцов Ю.Ю. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПИРОЛИЗОМ РАСТИТЕЛЬНЫХ И ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ Пятнадцатая Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» Сборник тезисов докладов, 136-137 (год публикации - 2023)

9. ЛУГОВОЙ Ю.В., ЧАЛОВ К.В., СТЕПАЧЕВА А.А., КОСИВЦОВ Ю.Ю., СУЛЬМАН М.Г. ВЛИЯНИЕ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ НА ПРОЦЕССЫ КРЕКИНГА ЛЕТУЧИХ ПРОДУКТОВ БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЫ Актуальные проблемы теории и практики гетерогенных катализаторов и адсорбентов Материалы VII Всероссийской научной конференции (г. Суздаль, 28 июня – 1 июля 2023 г.), С. 283-286 (год публикации - 2023)