Японские ученые из Университета Кюсю установили, что цеолит Na-ZSM-5 способствует более эффективному химическому преобразованию биомассы в олефины. Использование микроволнового излучения позволило уменьшить энергозатраты и минимизировать образование нежелательных продуктов.
Для производства сложных органических соединений, таких как пластмассы, лекарственные препараты или пищевые добавки, требуются химические прекурсоры с простой структурой – олефины. Распространенным способом получения этих веществ является каталитический риформинг нафты, продукта переработки нефти. Этот процесс характеризуется высоким энергопотреблением и сопровождается существенными выбросами углекислого газа.
Существует альтернативный способ получения олефинов — это термическое разложение отработанных растительных масел и масел из микроводорослей. Эти вещества отличаются низкой стоимостью, а повторное использование растительных масел, утративших свои первоначальные свойства, позволяет также решить вопрос их утилизации.
Для превращения масел в олефины используют каталитический крекинг, в котором применяется цеолит. Цеолит – это природный пористый материал, выполняющий роль катализатора и абсорбента, обладающий нетоксичностью и нерастворимостью в биологических средах.
Для осуществления каталитического крекинга необходим нагрев до температуры 500-600 градусов Цельсия. Это влечет за собой значительные энергетические затраты и приводит к образованию нежелательных побочных продуктов, в частности кокса. Накопление кокса сокращает срок службы катализатора.
Японские ученые провели исследование, в ходе которого было изучено применение микроволнового нагрева цеолитов для уменьшения расходов на крекинг. Результаты работы были опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.
В ходе сравнительного анализа различных цеолитов было установлено, какие из них обладают наибольшей эффективностью. Наиболее высокие результаты показал Na-ZSM-5 — цеолит, содержащий натриевые ионы.
Коллектив ученых осуществил каталитическое превращение метилолеата. Нагревание Na-ZSM-5 с помощью микроволн до 500 градусов Цельсия показало высокую эффективность в процессе превращения сложных эфиров жирных кислот в олефины, отличающегося высокой селективностью. Выбросы углекислого газа составили обнаружено, что угарный газ не был образован, и его доля составила 1,3 % от общего количества продуктов реакции.
Использование нового метода позволило увеличить объем производства олефинов в четыре раза, если сравнивать с обычным нагревом до аналогичной температуры. Образование кокса не было зафиксировано даже при нагревании до 600 градусов Цельсия. Специалисты объясняют это повышенной избирательностью Na-ZSM-5 в процессе производства олефинов.
Ученые также установили, что микроволновое воздействие приводило к образованию областей с локальной температурой, превышающей 1000 градусов Цельсия, при этом температура основного цеолитного материала не изменялась. По мнению исследователей, причиной этого послужили возникшие экстремальные температуры приводят к селективному образованию олефинов.
Использование микроволнового нагрева катализаторов способно существенно повысить эффективность переработки биомасел и содействовать достижению целей устойчивого развития в химической промышленности. Поскольку микроволновое излучение может быть получено из возобновляемых источников энергии, предложенный метод производства олефинов позволяет уменьшить воздействие промышленности на окружающую среду.