Движение «зеленых» по всему миру заставило человечество задуматься о ценности лесов, и теперь каждая уважающая себя корпорация, будучи главным потребителем офисной бумаги, добавляет к своей электронной корреспонденции строчку вроде «Пожалуйста, подумайте об окружающей среде, прежде чем отравлять этот документ в печать (Please consider the environment before printing this e-mail)».
Однако если электронная документация постепенно заменяет бумажную даже в самых консервативных сферах деятельности человека, то вот бензин пока заменить особо-то и нечем.
Китайские ученые впервые продемонстрировали, как можно осуществить достаточно дешевую и эффективную переработку древесины в биоэтанол и биодизельное топливо.
Сколько бы запасов нефти ни было разведано в грядущие годы, рано или поздно её подземные резервуары должны иссякнуть. Спор о том, синтезируется ли новая нефть в глубинах земли и океана или этот природный ресурс невосполним, пока не закрыт, но человечество все сильнее начинает задумываться об альтернативных источниках энергии. И если энергия атома или энергия, вырабатываемая гидроэлектростанциями, сможет покрыть какую-то часть потребностей индустрии и домашних хозяйств, то, как быть с огромным парком автотранспорта, до сих пор непонятно.
Большинство учёных полагают, что углеводороды возникают они при разложении живых существ, как догадался ещё Михаил Васильевич Ломоносов. В течение сотен миллионов лет водоросли и зоопланктон оседали на дно и смешивались с илом. Медленное разложение давало химическим реакциям энергию, а высокое давление и низкое содержание кислорода создавали идеальные условия для постепенного превращения сложных белков в простые соединения углерода и водорода с небольшими примесями прочих элементов, по большей части связанных в другие соединения. Так появились нефть и газ.
Существует и альтернативная теория их появления, считающая углеводороды естественным продуктом химических реакций в земной коре или мантии, в которых жизнь не участвует. Развитие таких взглядов во многом связано с именем другого великого русского учёного – Дмитрия Ивановича Менделеева, который, впрочем, никогда не утверждал эту гипотезу как единственно возможную. Ныне такой взгляд на происхождение углеводородов – за исключением разве что метана – считается в некоторой степени маргинальным, и, как и положено маргинальной теории, она сильно разнится от версии к версии, однако и у её сторонников есть немало косвенных аргументов в пользу своей точки зрения.
Заменить бензин можно биотопливом — этанолом и биодизелем, получаемыми переработкой растений. И пусть этот вид горючего не решит окончательно проблему выбросов СО2 в атмосферу, он все же является возобновляемым и более экологичным видом горючего для автотранспорта. В конце концов, пока растения, применяемые при его производстве, растут, они эффективно связывают углекислый газ в процессе фотосинтеза.
Именно поэтому многие автомобильные гиганты напрямую спонсируют разработки по переработке сахарной свеклы и тростника в биотопливо. Эти растения наиболее богаты крахмалом — основным исходным компонентом для производства этанола из природного сырья.
Однако, как недавно убедительно показали исследования Всемирного банка,
массовое использование сельскохозяйственных угодий под выращивание свеклы и тростника вместо пшеницы и капусты уже привело к значительному росту цен на продовольствие во всем мире.
В связи с этим возлагается много надежд на так называемое биотопливо второго поколения, которое будет производиться из большего количества природного сырья. Большую часть растительной биомассы составляют целлюлоза и лигнин. Однако их переработка в легкие углеводородные молекулы куда более сложна.
Даже природа за миллионы лет эволюции смогла наделить аппаратом усвоения целлюлозы лишь относительно небольшое количество живых существ, основную часть которых составляют насекомые или вовсе бактерии.
Человеку это умение не дано, зато он, похоже, не зря учился грызть гранит науки. Пока химики-технологи всего мира отчаянно пытаются оправдать сотни миллионов долларов, вложенных корпорациями в разработку методов переработки целлюлозы в жидкое биотопливо, китайские ученые обратили свой взор на молекулы лигнина, который также составляет значительную часть биомассы.
(от лат. lignum – дерево, древесина) – вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток. Сложное полимерное соединение, содержащееся в клетках сосудистых растений.
Одеревеневшие клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить со структурой железобетона: микрофибриллы целлюлозы по своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону. Молекула лигнина состоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов; основной мономер – конифериловый спирт.
Древесина лиственных пород содержит 20–30% лигнина, хвойных – до 50%. Лигнин – ценное химическое сырьё, используемое во многих производствах.
Природные полимерные молекулы, в принципе, не так уж и сложно разорвать на мелкие кусочки, однако отличие технологии от лабораторных экспериментов в том и состоит, что сделать это необходимо максимально дешево, в больших масштабах и при строгом контроле продукции на выходе. Именно в отсутствие возможности контроля продуктов разложения сложных природных молекул и упирается промышленное получение биотоплива из древесины.
Юань Коу из Пекинского университета вместе со своими коллегами продемонстрировал методику контролируемого разложения лигнина, в результате которого образуются алканы и спирты — основные компоненты биодизеля и биоэтанольного топлива.
Разумеется, процесс этот идет в несколько стадий, наиболее сложной из которых является стадия разрыва многочисленных связей углерод--кислород--углерод. Короткие органические цепочки, образующиеся в результате такой реакции лигнина, могут дальше уже разделяться, проходить дополнительную обработку и превращаться в насыщенные углеводороды и спирты.
Загвоздка в том, что для более эффективной конверсии лигнина в биоэтанол необходимо сохранить в коротких обрывках природной молекулы некоторое количество остаточных С--О--С связей. Они являются залогом легкого получения этанола на завершающих стадиях переработки природного сырья.
Как это часто бывает в химической технологии,
все ноу-хау авторов очередной инновации заключается в тщательном подборе параметров, при которых идет тот или иной технологический процесс.
В этом случае успех может потребовать не одного года напряженной работы, а потому подобные открытия демонстрируют только самые динамичные научные коллективы. Так же получилось и в случае китайских ученых. Статью о своих достижениях химики опубликовали в журнале ChemSusChem.
Команда Коу в новом цикле своих работ обратилась к прежним наработкам, согласно которым наилучшим растворителем для проведения реакции разложения лигнина является вода, нагретая до температуры в 250–300о С и находящая под давлением примерно в 70 атмосфер. Эти условия для воды являются близкими к критическим: если и дальше поднимать температуру и давление, то вода перейдет в сверхкритическое состояние, в котором свойства жидкой воды не будут отличаться от свойств водяных паров.
Естественно, одной только горячей воды и высокого давления мало для контролируемого разложения природной полимерной молекулы. Команда Коу экспериментировала с различными катализаторами, наилучшим из которых оказалась платина на углеродном носителе. Если же к воде примешать небольшую фракцию органического растворителя диоксана, это приведет к большому выходу и мономерных звеньев лигнина, содержащих только концевые связи углерод--кислород, и димеров с одной связью С--О--С внутри молекулы.
При выходе лигниновых мономеров до 45% выход димеров может составлять почти 12%, таким образом суммарный выход технологического процесса превышает 50%, что вдвое превышает выход всех предыдущих технологий!
смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30°C до 200°C. Плотность около 0,7 г/см3. Теплотворная способность примерно 10 500 ккал/кг. Горючая жидкость. Получается путём перегонки нефти, гидрокрекингом и, при необходимости дальнейшей ароматизации – каталитическим крекингом и риформингом. Для специальных бензинов характерна дополнительная очистка от нежелательных компонентов и смешение с полезными добавками.
Известны особые случаи, когда для производства бензинов применяется и иное углеводородное сырьё. Возможен отгон бензиновых фракций из смол полукоксования и коксования с дополнительной их очисткой, однако октановое число у таких бензинов всего 65-70 пунктов. Деструктивной гидрогенизацией тех же смол можно получить бензины более высокого качества. Производятся бензины и из синтез-газа (продукт газификации угля, конверсии метана) при помощи синтин-процесса (синтез Фишера–Тропша), продукты такой технологии – синтин и когазины.
«Классическая» технология производства автомобильного бензина на современных НПЗ предполагает его компаудирование (смешение) из нескольких составляющих, главными из которых являются: прямогонный бензин (легкая нафта), изомеризат (продукт изомеризации предыдущего), риформат (продукт риформинга тяжелой нафты), бензин каталитического крекинга (продукт разложения тяжелых фракций первичной перегонки), алкилат (продукт алкилирования предыдущего), бензин гидрокрекинга (продукт разложения наиболее тяжелых жидких фракций, уцелевших после атмосферной, а затем вакуумной перегонки) и модифицирующие присадки.
Простейшая схема получения автомобильного бензина включает отбор легких фракций при грубой перегонке нефти кустарным способом (в так называемых «самоварах») с последующим повышением октанового числа введением большого количества присадок («бодяжничество»).
По идее, эта технология переработки древесины в биотопливо подразумевает использование отходов деревоперерабатывающей промышленности. Научится ли человечество делать бензин из опилок и хватит ли этого топлива на всех — вопрос спорный. Чтобы узнать ответ, придется подождать внедрения китайской инновации в промышленный процесс.
