Ученые из ФИЦ «Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН» работают над технологией переработки глицерина, являющегося доступным отходом производства биотоплива, в соединение, способное удалять углекислый газ из атмосферы. В качестве катализаторов в этой работе применяются материалы на основе никеля. Данная статья представляет собой обзор исследований, посвященных этому вопросу опубликована в международном журнале Sustainable Chemistry and Pharmacy .
Глицерин образуется как отход при производстве биодизеля. В связи с большим объемом производства этого вида топлива, накапливается значительное количество глицерина. Специалисты Федерального исследовательского центра Института химической физики Сибирского отделения Российской академии наук предлагают использовать это вещество для создания ценных и востребованных продуктов, в частности, аминовых абсорбентов.
Аминовые абсорбенты применяют для удаления кислых газов, выделяющихся при сгорании топлива. При этом особое значение имеет улавливание углекислого газа, который рассматривается как один из основных факторов, вызывающих изменение климата (парниковый газ). Существуют усилия по сокращению его концентрации в атмосфере, поскольку при сжигании угля, нефти и природного газа именно СО 2 выделяется больше всего.
«Мы поставили перед собой задачу выяснить, возможно ли получение абсорбентов на основе глицерина, способных эффективно поглощать углекислый газ 2. Учитывая наш предыдущий опыт в изучении катализаторов на основе никеля, мы решили использовать один из них в процессе аминирования глицерина, которое подразумевает превращение глицерина в аминовый абсорбент», — пояснил старший научный сотрудник Инжинирингового центра ФИЦ ИК СО РАН, кандидат химических наук Роман Геннадьевич Кукушкин.
Аминирование осуществляется в специализированном реакторе, который выполнен в виде трубки. В неё непрерывно подаются необходимые вещества, проходящие через слой катализатора, способствующего ускорению реакции. С другой стороны трубки они выходят уже в виде готовых продуктов. Роман Кукушкин уточняет: «Различают два типа реакторов: периодического действия, где процесс запускается после загрузки всех компонентов, продолжается заданное время и затем прекращается для извлечения готового продукта, и реактора проточного (непрерывного) типа, в котором реагенты постоянно поступают в систему, преобразуются и сразу же выводятся. Наши исследования проводились в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора на основе никеля.
Аминирование глицерина представляет собой сложный процесс, сопровождающийся образованием значительного количества побочных продуктов, включая нежелательные. Перед исследователями стоит задача найти катализаторы, которые обеспечат получение требуемых веществ с наивысшим выходом и минимальным количеством побочных соединений.
На данный момент исследователи провели испытания катализаторов на основе никеля. Этот металл отличается доступной стоимостью и демонстрирует высокую каталитическую активность. Катализаторы синтезировали с использованием золь-гель метода. В процессе получения из исходных веществ, добавленных в жидкость, формируется коллоидная система (золь), после чего образуется трехмерная структура (гель). Полученный материал подвергается сушке и термообработке при повышенной температуре. Этот процесс позволяет создавать материалы с заданными текстурными свойствами, высоким содержанием активного металла (Ni) и обеспечивает контроль над каждым этапом.
«Начав с готовых каталитических систем, мы проанализировали опыт российских и зарубежных исследователей. После проведения первичных испытаний приступили к адаптации имеющихся систем в соответствии с поставленными задачами. В частности, катализатор на основе никеля был дополнен различными металлами. Это позволило повысить его селективность в отношении целевого продукта и добиться практически полной конверсии исходного сырья», — комментирует Роман Кукушкин.
В настоящее время ученые совершенствуют эти методы, включая в состав катализаторов металлы, такие как олово или молибден. Также проводятся работы по изменению соотношения между основным компонентом – никелем – и дополнительными элементами. Кроме того, изучается влияние параметров процесса – температуры, давления и концентрации реагентов – на аминирование, чтобы определить наилучшие условия проведения реакции.
Современные методы анализа, включая газовую хроматографию и хромато-масс-спектрометрию, применяются для оценки качества полученных продуктов. Это позволяет установить их состав и определить количество каждого компонента. В настоящее время осуществляется подготовка образцов продуктов аминирования глицерина к следующему этапу испытаний – определению способности поглощать и высвобождать углекислый газ, выделяющийся при сгорании топлива. На данном этапе для проведения тестов используется чистый лабораторный диоксид углерода, а не промышленные выбросы, чтобы обеспечить более точную оценку эффективности разработанного сорбента.
«Технология улавливания газов не является для нас принципиально новой, однако наша работа заключается в том, чтобы научиться перерабатывать глицерин в востребованный продукт, в первую очередь для аминовой очистки от углекислого газа. В России ежегодно образуется значительный объем отработанного растительного масла, которое ранее экспортировалось. Мы можем извлекать из него глицерин и впоследствии перерабатывать его в амины или другие необходимые соединения. Таким образом, это представляет собой эффективное решение задачи утилизации отходов, по словам Романа Кукушкина.
В настоящее время ученые закончили серию экспериментов и перешли к последующему этапу. В планах специалистов – изучение физико-химических характеристик катализаторов с целью выяснить, каким образом модификаторы воздействуют на их эффективность. После этого специалисты начнут изготовление опытных образцов катализаторов для дальнейших исследований.
Автор: Ирина Баранова