Исследователи из японского Университета Кюсю выяснили, что цеолит Na-ZSM-5 эффективен для улучшения химического превращения биомассы в олефины. Снизить расход энергии и предотвратить образование побочных веществ помогли микроволны.
Чтобы синтезировать сложные органические соединения — пластмассы, лекарства или пищевые добавки, — необходимы химические прекурсоры с простыми структурами, олефины. Один из распространенных методов синтеза этих химических веществ — каталитический риформинг нафты, производного нефти. Риформинг требует большого количества энергии и сопровождается значительными выбросами углекислого газа.
Альтернативный путь синтеза олефинов — разложение отработанных растительных масел и масел из микроводорослей. Оба класса веществ дешевы, а переиспользование выполнивших свою основную функцию растительных масел также решает проблему их утилизации.
Для преобразования масел в олефины применяют метод каталитического крекинга с использованием цеолита. Цеолит — природный пористый материал, катализатор и абсорбент, он нетоксичен и нерастворим в биологических средах.
Для каталитического крекинга нужен нагрев до 500-600 градусов Цельсия. Это требует больших энергетических затрат и вызывает формирование побочных веществ, кокса. Его образование снижает срок службы катализатора.
В новом исследовании группа японских ученых экспериментировала с использованием микроволн для нагрева цеолитов, чтобы снизить затраты на крекинг. Статья об этом вышла в журнале Chemical Engineering Journal.
Исследователи сравнили различные цеолиты и определили, какие из них могут наиболее эффективны. Лучшие показатели продемонстрировал Na-ZSM-5 — цеолит с натриевыми ионами.
После коллектив ученых провел каталитическое превращение метилолеата. Микроволновый нагрев Na-ZSM-5 до 500 градусов Цельсия продемонстрировал высокую эффективность в превращении сложных эфиров жирных кислот в олефины с высокой селективностью. Выбросы углекислого газа составили 1,3 % от общего количества продуктов реакции, угарный газ не образовывался совсем.
Найденный метод увеличил производство олефинов в четыре раза по сравнению с традиционным нагревом до той же температуры. Кокс не образовался даже при нагреве до 600 градусов Цельсия. Ученые связали это с более высокой селективностью Na-ZSM-5 в производстве именно олефинов.
Исследователи также выяснили, что микроволны локально формировали в цеолите области с температурой выше 1000 градусов Цельсия, не влияя на температуру основного материала. Как полагают ученые, именно экстремальные температуры приводят к селективному образованию олефинов.
Применение микроволнового нагрева катализаторов может значительно улучшить процесс переработки биомасел и помочь в достижении целей устойчивого развития химической промышленности. Микроволновое излучение может генерироваться из возобновляемых источников энергии, а значит, предложенный процесс производства олефинов способен снизить влияние промышленности на окружающую среду.