Каталитическая установка. Источник: Владимир Климовский
Ученые установили, что предварительная обработка галлуазита — глинистого слоистого минерала — поверхностно-активными веществами повышает активность и стабильность катализаторов для переработки бионефти, содержащих никель или платину. Такие катализаторы позволяют получать из бионефти компоненты моторных топлив и ценные продукты нефтехимии (например, циклические углеводороды и спирты). Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Sustainable Energy & Fuels.
Истощение запасов ископаемого топлива требует поиска новых возобновляемых источников энергии. Одним из возможных решений проблемы может стать переработка лигноцеллюлозной биомассы — растительного вещества из отходов деревообрабатывающей промышленности. Такое сырье доступно и дешево, кроме того, его переработка косвенно снижает выбросы углекислого газа в атмосферу.
Биомассу нагревают без доступа воздуха до 500–700°С в течение 1–2 секунд и получают жидкий продукт — бионефть. Однако такая бионефть отличается от ископаемой нефти повышенной вязкостью, кислотностью, склонностью к расслаиванию, а также выделяет мало тепла при сгорании. Все это объясняется высоким содержанием кислорода (до 40% по массе). Для устранения указанных недостатков химики проводят гидродеоксигенацию — удаляют из бионефти кислород с помощью катализаторов на основе металлов (никеля, платины, рутения, палладия). Однако этот процесс осложняется быстрым падением активности катализаторов из-за высокого содержания воды, органических кислот и фенольных соединений в бионефти.
Ученые из Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и Ростокского университета (Германия) синтезировали никелевые и платиновые катализаторы, нанесенные на нанотрубки галлуазита — глинистого слоистого минерала. Его поверхность модифицировали поверхностно-активными веществами, чтобы повысить гидрофобность — стремление галлуазита избежать контакта с водой. Это обеспечило преимущественное нанесение наночастиц никеля или платины во внутреннюю полость нанотрубок, где металлы защищены от воздействия воды и фенольных соединений.
Активность полученных катализаторов химики исследовали в автоклаве с перемешиванием при температуре 120–180°С и давлении водорода в 30 раз выше атмосферного. В качестве модельного сырья, имитирующего состав реальной бионефти, использовали смеси фенола, анизола или гваякола с водой. Спустя три часа ученые проанализировали продукты реакции.
Оказалось, что катализаторы, синтезированные на основе чистого галлуазита, показали низкую активность и стабильность в процессе гидродеоксигенации модельных смесей. Так, степень превращения сырья не превышала 35% и резко снижалась уже после первого эксперимента, что связано с отравляющим действием воды и фенола. В случае катализаторов на основе модифицированного галлуазита степень превращения сырья повышалась до 76% при снижении содержания кислорода в три раза — с 15 до 5% по массе. Кроме того, существенно увеличилась стабильность катализаторов. Например, для одного из образцов платиносодержащего катализатора высокая активность сохранялась на протяжении четырех последовательных экспериментов.
«Таким образом, исследование открывает путь к получению эффективных катализаторов из отечественного сырья, поскольку месторождения галлуазита имеются на территории России: на Урале, в Оренбургской и Тульской областях. В дальнейшем мы планируем изучать активность биметаллических (содержащих одновременно два металла) катализаторов на основе гидрофобизированных нанотрубок галлуазита», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Климовский, инженер кафедры физической и коллоидной химии РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда