Исследователи из ФИЦ «Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН» ищут способ перерабатывать дешевый побочный продукт получения биотоплива — глицерин — в вещество, которое способно очищать воздух от углекислого газа. Для этого используют специальные катализаторы на основе никеля. Обзорная статья об исследованиях в данном направлении опубликована в международном журнале Sustainable Chemistry and Pharmacy.
Катализатор на основе никеля. Фото Ирины Барановой
Глицерин — побочный продукт при получении биодизеля. Поскольку такого топлива в мире производят много, глицерина тоже накапливается достаточно. Ученые ФИЦ ИК СО РАН предлагают использовать это вещество для выпуска полезных и нужных продуктов, а именно аминовых абсорбентов.
Аминовые абсорбенты используют для поглощения кислых газов, которые образуются при сжигании топлива. Особенно важно улавливать углекислый газ, так как он считается одним из главных виновников изменения климата (парниковым газом). Люди стремятся уменьшить его выбросы в воздух, поскольку при сжигании угля, нефти и природного газа именно СО2 выделяется больше всего.
«Мы задались вопросом, можно ли из глицерина получить абсорбенты, которые эффективно улавливают СО2. Ранее мы активно занимались исследованием катализаторов на основе никеля, поэтому решили применить один из них именно в процессе аминирования глицерина, то есть его превращения в аминовый абсорбент», — рассказывает старший научный сотрудник Инжинирингового центра ФИЦ ИК СО РАН кандидат химических наук Роман Геннадьевич Кукушкин.
Аминирование проводят в специальном реакторе, который представляет собой трубку, куда непрерывно подают нужные вещества: они проходят через слой катализатора, ускоряющего реакцию, и выходят с другой стороны уже готовыми продуктами. «Существует два вида реакторов: реактор периодического действия, в котором процесс начинается после загрузки всех компонентов, идет определенное время, а затем останавливается для извлечения готового продукта, и реактор проточного (непрерывного) типа, в котором реагенты постоянно подаются в систему, преобразуются и немедленно выводятся. Наши эксперименты проводили в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора, сделанном на основе никеля», — отмечает Роман Кукушкин.
Процесс аминирования глицерина непростой, поскольку образуется довольно много побочных продуктов, в том числе нежелательных. Задача исследователей — подбор таких катализаторов, которые бы позволили получать целевые вещества с максимальным выходом, при этом чтобы побочных было минимум.
Пока что исследователи протестировали катализаторы на основе никеля. Этот металл недорогой и проявляет хорошую каталитическую активность. Катализаторы получали золь-гель методом. Из исходных веществ, добавленных в жидкость, получается коллоидная система (золь), а затем формируется трехмерная структура (гель). Полученный материал сушат и подвергают термообработке при высокой температуре. Благодаря этому процессу удается создавать материалы с нужными текстурными характеристиками, высоким содержанием активного металла (Ni) и контролировать каждый этап.
«Мы начали работу с готовых систем катализаторов, изучили опыт российских ученых и зарубежных коллег. После первых испытаний приступили к модификации существующих систем специально под наши цели. Например, взяли катализатор на основе никеля и дополнили его разными металлами. Таким образом мы улучшили его способность избирательно формировать нужный продукт и обеспечивать практически полное превращение исходного вещества», — комментирует Роман Кукушкин.
Теперь ученые продолжают развивать такие подходы, внедряя в состав катализаторов металлы, например олово или молибден. Исследователи также меняют пропорции между основным компонентом — никелем — и добавляемыми элементами. Помимо этого, проводятся масштабные исследования того, как на аминирование влияют условия проведения процесса: температура, давление и концентрация реагирующих веществ будут меняться, чтобы подобрать оптимальные условия реакции.
Качество полученных продуктов оценивают с помощью современных методов анализа, таких как газовая хроматография и хромато-масс-спектрометрия, что помогает определить состав продуктов и измерить их количества. Сейчас идет подготовка образцов продуктов аминирования глицерина для следующего этапа тестирования — испытания способности поглощать и выделять углекислый газ, который образуется при сгорании топлива. Пока для тестов используют чистый лабораторный СО₂, а не промышленные выбросы, чтобы точнее оценить эффективность разработанного сорбента.
«Технология захвата газов давно известна, в этом плане наша работа не новшество. Главное, чего мы добиваемся, — научиться превращать глицерин в полезный продукт, в частности для аминовой очистки от углекислого газа. Ведь в России образуется огромное количество использованного растительного масла, раньше шедшего на экспорт. Из него мы можем извлечь глицерин, а затем переработать его дальше — в амины или другие нужные вещества. Получается хорошее решение проблемы утилизации отходов», — говорит Роман Кукушкин.
Сейчас ученые завершили ряд экспериментов и перешли к следующему этапу. Они планируют изучить физико-химические свойства катализаторов, чтобы понять, как модификаторы влияют на их активность. Затем специалисты приступят к созданию опытных образцов катализаторов для дальнейших исследований.
Автор: Ирина Баранова
