Учёные Сибирского федерального университета и Института химии и химической технологии ФИЦ Красноярский научный центр СО РАН исследовали структурные изменения целлюлозы в ходе гидролиза на твердых кислотных катализаторах – окисленном углеродном материале Sib450 и коммерческом сульфированном полимере Amberlyst-15. Исследование опубликовано в Wood Science and Technology.
Результаты показали, что гидролиз целлюлозы в водной среде на катализаторах с сильными и слабыми кислотными центрами происходит по разным механизмам. Установлено, что важную роль играет способность твердых кислот формировать двойной электрический слой – область с высокой концентрацией ионов гидроксония у поверхности катализатора. Открытие позволяет лучше понять процессы превращения целлюлозы в ценные химические продукты и биотопливо, что может способствовать развитию эффективных и экологически безопасных технологий переработки биомассы.
Традиционные методы переработки растительной биомассы создают высокую нагрузку на окружающею среду. Известны карты-накопители шлам-лигнина Байкальского целлюлозно-бумажного комбината и отвалы лигнина Канского биотехнологического завода. Однако эти производства имеют стратегическое значение и производят незаменимые продуты. Гидролиз целлюлозы – важный этап для основного пути получения этанола в промышленности. Гидоролиз - превращение полимера целлюлозы в его мономер – глюкозу, проводят с помощью серной кислоты. Эта сильная минеральная кислота в виде раствора выступает в качестве катализатора, затем её нейтрализуют и направляют в сточные воды завода.
Чтобы снизить экологическую нагрузку и улучшить экономические показатели гидролизной промышленности, учёные работают над созданием технологии нового поколения – гидролиза целлюлозы на твёрдых кислотных катализаторах. Такие катализаторы можно легко отделить от продуктов простой фильтрацией и использовать многократно. В отличие от серной кислоты, они не приводят к коррозии химических аппаратов.
«С 2008 года известно, что твёрдые кислоты имеют высокую эффективность в гидролизе целлюлозы, но было неочевидно, как могут взаимодействовать между собой твёрдые частицы целлюлозы и кислотного катализатора. Ранее мы провели теоретические исследования, в которых показали ведущую роль способности твердых кислот формировать у своей поверхности в воде двойной электрический слой. Это широко известное явление, которое является причиной изучаемых ещё в школе электрокинетических явлений, для каталитических процессов с использованием твёрдых кислот до нас учёные ещё не рассматривали», - рассказала руководитель исследования, заведующий кафедры органической и аналитической химии СФУ, заведующий лабораторией Института химии и химической технологии СО РАН Оксана Таран.
Исследование гидролиза целлюлозы на катализаторах с разной кислотностью (окисленный углерод Sib450 и сульфокатионит Amberlyst-15) выявило принципиальные различия в механизмах реакции. Amberlyst-15, содержащий сильные сульфогруппы, активнее расщепляет даже кристаллическую часть целлюлозы. В отличие от него, слабокислотный Sib450 преимущественно гидролизует аморфные участки, повышая степень кристалличности. Исследования показали, что при близкой конверсии целлюлозы катализаторы оказывают противоположное влияние на структуру целлюлозы: Amberlyst-15 снижает кристалличность, тогда как Sib450 увеличивает её. Это объясняется разной способностью катализаторов формировать двойной электрический слой. Хотя сильные кислоты эффективнее, углеродные катализаторы дешевле, стабильнее и более селективны по отношению к глюкозе.
«Нам доступны современные методы исследования материалов, которые позволили детально и глубоко разобраться в изменениях, происходящих в целлюлозе при гидролизе с твёрдыми кислотами, и выяснить, как устроен каталитический процесс на молекулярном уровне», - поделился соавтор исследования, ассистент кафедры органической и аналитической химии СФУ, младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Виктор Голубков.