Специалисты Сибирского федерального университета и Института химии и химической технологии ФИЦ Красноярский научный центр СО РАН детально изучили, как трансформируется структура целлюлозы в результате её гидролиза в присутствии твердофазных катализаторов. В центре внимания были окисленный углеродный материал Sib450 и промышленный сульфированный полимер Amberlyst-15.
Две стратегии: влияние кислотных центров на процесс гидролиза
Экспериментальные данные выявили, что механизмы каталитического гидролиза в водной фазе фундаментально различаются для катализаторов с сильными и слабыми кислотными группами. Ключевым фактором здесь стало создание катализатором двойного электрического слоя – приповерхностной области со значительной концентрацией ионов гидроксония. Это прорывное знание раскрывает детали конверсии волокон целлюлозы в биотопливо и ценные химические вещества, создавая потенциал для внедрения высокоэффективных и экологичных технологий использования биомассы.
Актуальность и экологическая составляющая исследований
Переработка растительных ресурсов традиционными способами часто оборачивается значительными экологическими сложностями, что проявляется, например, в лигниновых отвалах Канского биотехнологического завода или картах-накопителях Байкальского ЦБК. Несмотря на стратегическое значение этих производств, поиск более чистых альтернатив гидролизу – критически важной стадии получения этанола из целлюлозы – ведётся активно. Традиционно катализатор (как правило, серная кислота) после применения нейтрализуют, образуя токсичные стоки.
Твердофазные катализаторы: преимущества нового подхода
С целью снижения экологического следа и повышения рентабельности отрасли научные коллективы сосредоточены на разработке технологии гидролиза с применением твёрдых кислотных катализаторов. Их ключевые достоинства состоят в лёгкости выделения из реакционной смеси посредством фильтрации и возможности многократной регенерации. Кроме того, они не вызывают коррозии технологического оборудования, в отличие от серной кислоты.
Открытие Оксаны Таран: неучтенный электрокинетический фактор
Руководитель проекта, Оксана Таран (зав. кафедрой органической и аналитической химии СФУ, зав. лабораторией ИХХТ СО РАН), пояснила: "Хотя высокая действенность твёрдых кислот в гидролизе целлюлозы известна с 2008 года, механизм взаимодействия твердых частиц целлюлозы и кислотного катализатора оставался неясным. Наши фундаментальные исследования установили ведущую роль формирования двойного электрического слоя у поверхности катализатора в воде – известного электрокинетического явления, которое прежде не учитывалось в каталитических процессах".
Сравнение Sib450 и Amberlyst-15: различия в механизме и результативности
Глубокий анализ гидролиза на отличающихся по кислотности катализаторах – Sib450 и Amberlyst-15 – показал принципиальные расхождения кинетики. Катализатор Amberlyst-15 с мощными сульфогруппами эффективно разрушает как аморфные, так и кристаллические зоны целлюлозы. В то же время углеродный Sib450 с более слабыми кислотными центрами избирательно гидролизует аморфные участки, что приводит к общему упрочнению структуры благодаря повышению степеней кристалличности. При сопоставимых уровнях преобразования субстрата наблюдался обратный эффект на кристалличность: снижение под действием Amberlyst-15 и рост при использовании Sib450. Это объясняется различным потенциалом катализаторов для формирования двойного электрического слоя. Несмотря на бо́льшую активность сульфополимера, окисленные углеродные материалы привлекательнее благодаря экономичности, стабильности и более высокой избирательности в получении глюкозы.
Выводы Виктора Голубкова: детальное изучение на молекулярном уровне
Соавтор проекта Виктор Голубков (ассистент кафедры СФУ, младший научный сотрудник ИХХТ СО РАН), подчеркнул: "Применение передовых методов изучения материалов дало нам беспрецедентную возможность исследовать во всех деталях структурные модификации целлюлозы при гидролизе твердофазными кислотами и описать каталитический процесс на молекулярном уровне".
Источник: indicator.ru
