Разработка научно-обоснованных подходов по фракционированию жидких продуктов быстрого пиролиза лигноцеллюлозной биомассы для получения биотоплива и химического сырья

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 22-73-10097

НазваниеРазработка научно-обоснованных подходов по фракционированию жидких продуктов быстрого пиролиза лигноцеллюлозной биомассы для получения биотоплива и химического сырья

Руководитель Забелкин Сергей Андреевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технологический университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-302 - Структура и свойства полимеров, многокомпонентных полимерных систем

Ключевые слова Биомасса, быстрый пиролиз, пиролизная жидкость, сепарация, гидрооблагораживание, пенополиуретаны, крекинг

Код ГРНТИ66.19.91

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время крайне актуально стоят вопросы вовлечения возобновляемого сырья в промышленность для решения экологических и энергетических проблем. Негативные свойства биомассы, такие как рассредоточенность, низкая плотность, биодеградируемость, нестабильность состава и свойств, нетехнологичное агрегатное состояние и т.п., затрудняют её применение в промышленности. Одним из перспективных подходов к такой переработке может служить процесс пиролиза, при котором образуются твёрдые, жидкие и газообразные продукты. Большой интерес представляют жидкие продукты (ПЖ). Наибольший выход жидких продуктов (до 75 % мас.) достигается при быстром абляционном пиролизе биомассы – термическом разложении биополимеров в отсутствии окислительной среды при высокой (до 1000 °С/с) скорости нагрева, малом времени пребывания продуктов в реакционном пространстве и механической активации. Однако сложный состав ПЖ (углеводы, органические кислоты, фенолы, альдегиды, кетоны и др.) приводят к трудностям при хранении, использовании и переработке ПЖ. Относительно высокая добавочная стоимость потенциальных продуктов фракционирования ПЖ позволит повысить конкурентоспособность технологий утилизации древесной биомассы в целом. В промышленной среде возрастает интерес к новым технологиям переработки отходов с получением ценных компонентов, что говорит об актуальности данного вопроса, однако несмотря на большое количество научных работ, посвященных тематике переработки ПЖ в России, все они носят больше теоретический либо пробный характер. Российская научная среда в данном направлении остро нуждается в больших практических наработках и получения большего количества теоретически значимой, фундаментальной информации относительно составов и свойств фракций ПЖ биомассы различной природы. Таким образом, требуется комплексные изучения различных методов сепарации ПЖ с выделением воды, кислых компонентов, углеводов, фенолов и других возможных фракции. Разработка методов фракционирования требует фундаментального изучения взаимодействия разнородных компонентов ПЖ с экстрагентами и между собой. Также при разработке данного метода большое значение имеют учеты затрат энергии, материалов (рекуперация экстрагентов), последовательность осуществления стадий сепарации. Реализация данного проекта дает возможность применять методы фракционирования пиролизной жидкости, которые позволили бы получить углеводную фракцию, применяемую в качестве полиольного компонента в синтезе пенополиуретанов и фенольную фракцию, применяемую в качестве заменителя фенола в фенолоформальдегидных смолах. Метод каталитического крекинга, разработанный применительно к ПЖ позволит получить биотопливо высокого качества. Таким образом, требуется разработка многостадийного метода сепарации ПЖ с выделением воды, кислых компонентов, углеводов, фенолов и нейтральной фракции. Разработка данного многостадийного метода требует фундаментального изучения взаимодействия разнородных компонентов ПЖ с экстрагентами и между собой. Также при разработке данного метода большое значение имеют затраты энергии, материалов (рекуперация экстрагентов), последовательность осуществления стадий сепарации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В результате выполнения запланированных на 3-й год реализации проекта теоретических и экспериментальных работ были получены следующие научные результаты: • разработана методика выделения фенолзамещающей фракции из жидких продуктов быстрого пиролиза древесины • разработаны схема и описание оборудования для пилотного получения фенолзамещающей фракции из жидких продуктов быстрого пиролиза древесины • разработаны методика синтеза фенолформальдегидной смолы с применением фенолзамещающей фракции, полученной из жидких продуктов быстрого пиролиза древесины, методика приготовления клеев с применением полученной фенолформальдегидной смолы, результаты исследования свойств полученных образцов клея, методика получения образцов фанеры с применением полученной фенолформальдегидной смолы • проведено сравнение свойств полученной фенолформальдегидной смолы с нормативными требованиями • проведены исследования свойств образцов фанеры, полученной с применением фенолзамещающей фракции жидких продуктов быстрого пиролиза древесины • разработана схема технологического процесса выделения фенолзамещающей фракции из жидких продуктов быстрого пиролиза древесины • проведён экономический расчёт модели процесса получения фенолзамещающей фракции жидких продуктов быстрого пиролиза древесины в фанерном производстве (пиролизное производство, лесохимическое производство) • разработаны методика подготовки жидких продуктов быстрого пиролиза древесины и их фракций для применения в качестве полиольного компонента в производстве пенополиуретана. методика получения образцов пенополиуретанов с применением фракции жидких продуктов быстрого пиролиза древесины в качестве полиольного компонента • исследованы свойства пенополуретанов, полученных при замещении полиола пиролизной жидкостью или её фракциями в различном соотношении • проведены исследования образцов пенополиуретанов методом инфракрасной спектрометрии. • опубликовано 3 статьи Scopus/Web of Science, 2 статьи ВАК, 1 статья ВАК принята к печати, подана заявка на выдачу патента РФ на изобретение.

Публикации

1. Валиуллина А.И., Валеева А.Р., Забелкин С.А., Грачев А.Н., Бикбулатова Г.М., Хазиахмедова Р.М., Макаров А.А., Башкиров В.Н. Isolation of Phenolic Fraction from Liquid Pyrolysis Products of Wood Journal of Renewable Energy and Environment, Journal of Renewable Energy and Environment. – 2024. – Т. 11. – №. 3. – С. 52-59 (год публикации - 2024)
10.30501/jree.2024.428950.1756

2. Бикбулатова Г.М. Грачев А. Н., Шарифуллин Ф.С. Использование биоугля в качестве черного пигмента Теоретические и экспериментальные исследования процессов синтеза, модификации и переработки полимеров: сборник тезисов докладов IХ Всероссийской (заочной) научной конференции (г. Уфа, 3 – 4 июня 2024 г.) / отв. ред. Е.И. Кулиш. [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. – Уфа:РИЦ УУНиТ, 2024, Теоретические и экспериментальные исследования процессов синтеза, модификации и переработки полимеров: сборник тезисов докладов IХ Всероссийской (заочной) научной конференции (г. Уфа, 3 – 4 июня 2024 г.) / отв. ред. Е.И. Кулиш. [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. – Уфа:РИЦ УУНиТ, 2024 – С. 8 (год публикации - 2024)

3. Бикбулатова Г.М., Кольцова Т.Г., Кулагина В.И., Хазиахмедова Р.М., Грачев А.Н., Забелкин С.А. Применение водорастворимой фракции пиролизной жидкости в качестве органической добавки для растениеводства Актуальные проблемы науки о полимерах : материалы IV Всероссийской научной конференции (c международным участием) преподавателей и студентов вузов, 23–26 сентября 2024 г. / под ред. Ю. М. Казакова [и др.]; Минобрнауки России; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2024, Актуальные проблемы науки о полимерах : материалы IV Всероссийской научной конференции (c международным участием) преподавателей и студентов вузов, 23–26 сентября 2024 г. / под ред. Ю. М. Казакова [и др.]; Минобрнауки России; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2024. С 102-104 (год публикации - 2024)

4. КИСЕЛЕВ Д.Ю. ВАЛИУЛЛИНА А.И. ВАЛЕЕВА А.Р. ХАЗИАХМЕДОВА Р.М. БАШКИРОВ В.Н. ЗАБЕЛКИН С.А. Очистка дренажной жидкости с полигона тко твердыми продуктами пиролиза иловых осадков сточных вод Современные технологии в области защиты окружающей среды и техносферной безопасности : Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, Современные технологии в области защиты окружающей среды и техносферной безопасности : Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, Казань, 16–17 апреля 2024 года. – Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2024. – С. 126-129 (год публикации - 2024)

5. А. Р. Валеева, Д. Ю. Киселев, А. Н. Грачев, С. А. Забелкин Применение древесной пиролизной жидкости при производстве синтетических смол Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология : Материалы VII Всероссийской студенческой научно-практической конференции, Казань, 28–30 мая 2024 года., Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология : Материалы VII Всероссийской студенческой научно-практической конференции, Казань, 28–30 мая 2024 года. – Казань: ООО«Конверс», 2024. – С. 638-642 (год публикации - 2024)

6. Валеева А.Р., Забелкин С.А. Выделение фенольных соединений из продуктов разложения полимеров растительного происхождения Актуальные проблемы науки о полимерах : материалы IV Всероссийской научной конференции (c международным участием) преподавателей и студентов вузов, 23–26 сентября 2024 г. / под ред. Ю. М. Казакова [и др.]; Минобрнауки России; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2024, полимерах : материалы IV Всероссийской научной конференции (c международным участием) преподавателей и студентов вузов, 23–26 сентября 2024 г. / под ред. Ю. М. Казакова [и др.]; Минобрнауки России; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2024. C. 272-274 (год публикации - 2024)

7. Хазиахмедова Р.М., Бикбулатова Г.М., Башкиров В.Н. Экстракция чесночных стрелок диэтиловым эфиром с целью выделения флавоноидов Актуальные проблемы науки о полимерах : материалы IV Всероссийской научной конференции (c международным участием) преподавателей и студентов вузов, 23–26 сентября 2024 г. / под ред. Ю. М. Казакова [и др.]; Минобрнауки России; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2024, Актуальные проблемы науки о полимерах : материалы IV Всероссийской научной конференции (c международным участием) преподавателей и студентов вузов, 23–26 сентября 2024 г. / под ред. Ю. М. Казакова [и др.]; Минобрнауки России; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2024. С. 636-638 (год публикации - 2024)

8. Бикбулатова Г.М., Кайнов П.А. Неорганические и органические вяжущие Г. М. Бикбулатова Неорганические и органические вяжущие / Г.М. Бикбулатова, Кайнов П.А.; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: Изд- во КНИТУ, 2024 – 89 с. ISBN 978-5-00245-206-4, Неорганические и органические вяжущие / Г.М. Бикбулатова, Кайнов П.А.; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: Изд- во КНИТУ, 2024 – 89 с. ISBN 978-5-00245-206-4 (год публикации - 2024)

9. ХАЗИАХМЕДОВА Р.М. ЗАБЕЛКИН С.А. КИСЕЛЕВ Д.Ю. БАШКИРОВ В.Н. Предпосевная обработка семян пшеницы уксусной фракцией жидких продуктов пиролиза древесины Современные технологии в области защиты окружающей среды и техносферной безопасности : Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, Казань, 16–17 апреля 2024 года, Современные технологии в области защиты окружающей среды и техносферной безопасности : Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, Казань, 16–17 апреля 2024 года. – Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2024. – С. 520-523. (год публикации - 2024)

10. КИСЕЛЕВ Д.Ю. ВАЛЕЕВА А.Р. ВАЛИУЛЛИНА А.И. ХАЗИАХМЕДОВА Р.М. БАШКИРОВ В.Н. ГРАЧЕВ А.Н. Применение твердых продуктов пиролиза иловых осадков для очистки фильтрата ТКО Вестник Кузбасского государственного технического университета, Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2024. – № 2(162). – С. 24-34 (год публикации - 2024)
10.26730/1999-4125-2024-2-24-34

11. Хазиахмедова Р.М. Новые направления в химии и биотехнологии лесохимических продуктов Казань: РИЦ «Школа», Казань: РИЦ «Школа» 2024. – 85 с. (год публикации - 2024)

12. Валеева А. Р., Киселев Д. Ю. Влияние на прочность степени замещения фенола древесной пиролизной жидкостью при синтезе фенолоформальдегидной смолы «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ИННОВАЦИИ В НАУКЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ» материалы XIII международной научно-практической конференции, 24 апреля , Междуреченск, 2024, «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ИННОВАЦИИ В НАУКЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ» материалы XIII международной научно-практической конференции, 24 апреля , Междуреченск, 2024 (год публикации - 2024)

13. Валиуллина А.И. Забелкин С.А. Киселев Д.Ю. Башкиров В.Н. Замена синтетического фенола в производстве фенолоформальдегидной смолы Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология : Материалы VII Всероссийской студенческой научно-практической конференции, Казань, 28–30 мая 2024 года, Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология : Материалы VII Всероссийской студенческой научно-практической конференции, Казань, 28–30 мая 2024 года. – Казань: ООО«Конверс», 2024. – С. 643-646 (год публикации - 2024)

14. А.Р. Валеева, Р.М. Хазиахмедова, Г.М. Бикбулатова, С.А. Забелкин Выделение и анализ химического состава углеводной фракции бионефти Деревообрабатывающая промышленность, Деревообрабатывающая промышленность. - №.4. – С.84-93 (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта непосредственно могут использоваться в таких областях экономики, как лесозаготовительная, деревообрабатывающая, фанерное производство, производство пенополиуретанов, сельское хозяйств и др. Результатом применения будут являться снижение затрат на утилизацию отходов, закупку синтетических материалов, повышение экологичности и качестве получаемой продукции.