Учёные Сибирского федерального университета совместно с Институтом химии и химической технологии Красноярского научного центра СО РАН провели исследование структурных изменений целлюлозы во время гидролиза с использованием твёрдых кислотных катализаторов — окисленного углеродного материала Sib450 и коммерческого сульфированного катализатора Amberlyst-15. Об этом «Жуковский.Life» рассказали в пресс-службе СФУ.
В ходе экспериментов оказалось, что процесс гидролиза целлюлозы на катализаторах с сильными и слабыми кислотными центрами отличается по механизму. Было выявлено, что большое значение имеет способность твёрдых кислот формировать двойной электрический слой у поверхности катализатора в воде, за счёт чего увеличивается концентрация ионов гидроксония.
Это открытие помогает лучше понять превращение целлюлозы в химические продукты и биотопливо, что важно для создания экологичных способов переработки биомассы.
Сегодняшние технологии переработки растительной биомассы серьёзно нагружают окружающую среду. Например, накопленные карты шлам-лигнина на Байкальском ЦБК и отвалы лигнина Канского биотехнологического завода показывают масштабы экологических проблем, хотя такие предприятия выпускают незаменимую продукцию. Гидролиз целлюлозы необходим, чтобы получать этанол в промышленных масштабах: именно при расщеплении целлюлозы до глюкозы с помощью серной кислоты потом получают нужные соединения. Однако после процесса кислоту нужно нейтрализовать, и она попадает вместе со сточными водами в природу.
Чтобы снизить вредные выбросы и улучшить экономику производства, учёные создают новую технологию — гидролиз целлюлозы на твёрдых катализаторах. Особенность таких катализаторов в том, что после реакции их легко отделить с помощью фильтрации, а затем использовать повторно. В отличие от агрессивной серной кислоты, эти вещества не вызывают коррозии оборудования.
Как отмечает руководитель работы Оксана Таран, хотя с 2008 года было известно об эффективности твёрдых кислот в переработке целлюлозы, механизм их взаимодействия с твёрдыми частицами самих катализаторов оставался неясным. В теоретических работах учёные показали: ключевым процессом является формирование двойного электрического слоя на поверхности катализатора в воде — это явление лежит в основе многих электрокинетических эффектов, знакомых со школьных уроков, но специально для подобных катализаторов не изучалось.
Эксперименты с двумя катализаторами разной кислотности показали отличия: сильнокислотный Amberlyst-15 способен расщеплять даже кристаллические участки целлюлозы, тогда как слабокислотный Sib450 в основном воздействует на аморфные зоны, увеличивая при этом кристалличность всей структуры.
При одинаковой степени гидролиза катализаторы по-разному влияют на строение целлюлозы — Amberlyst-15 снижает кристалличность, Sib450 её увеличивает, что объясняется отличиями в формировании электрического слоя. Хотя сильные кислоты работают эффективнее, катализаторы на основе углерода дешевле, устойчивее и лучше подходят для получения глюкозы.
Как рассказал Виктор Голубков, соавтор работы, современные методы анализа позволили глубоко изучить изменения в целлюлозе при гидролизе и раскрыть детали каталитического процесса на молекулярном уровне. Это исследование поможет сделать производство биоэтанола и других продуктов из биомассы более эффективным и безопасным для природы.
Японские учёные создали исчезающий пластик. Новый пластик обещает существенное сокращение загрязнения мирового океана, которое, по оценкам ООН, к 2040 году может достигнуть 37 миллионов тонн ежегодно.