Може ли най-твърдата част от дървесината да се превърне в изключително полезни химикали, без да се изгарят изкопаеми горива или да се използва водород под високо налягане? Ново проучване хвърля светлина върху един интересен метод за постигането на това.
То предлага умен електрохимичен метод за разграждане на лигнина – твърдия, упорит материал, който придава здравина на дървото – до високоценни съединения. Това е важно, защото лигнинът е един от най-разпространените източници на въглерод на Земята, но е известен с това, че е труден за използване.
„Поради сложната си и изключително стабилна молекулна структура, както и силните химични връзки, лигнинът е изключително устойчив на разграждане, което поставя сериозни предизвикателства пред ефективното му преобразуване“, отбелязват авторите на изследването.
Като заменя агресивните процеси с използване на електричество, този подход предлага по-опростен и по-чист начин за оползотворяване на потенциала на лигнина. Според изследователите, ако бъде приложен в по-голям мащаб, той би могъл да превърне дървесните отпадъци в надежден източник на горива и ценни химикали.
Разграждането на лигнина с електричество
Лигнинът отдавна се съпротивлява на ефективното преобразуване поради своята заплетена структура и много силни химични връзки. Разкъсването на тези връзки обикновено изисква висока температура, високо налягане и добавен водороден газ. Това е свързано с висока консумaция на енергия, а постигането на полезни продукти остава трудно.
По-ранните електрохимични подходи също имат ограничения, включително ниски добиви и трудности при ясното идентифициране на получените продукти. За да преодолеят това, изследователите разработват електрохимична система, изградена около катализатор от 5 тегловни процента паладий върху въглерод (Pd/C).
Вместо да подават водороден газ отвън, системата генерира реактивен водород директно върху повърхността на катализатора чрез процес, задвижван от електричество с участието на вода, което позволява разкъсването на връзки и хидрогенирането да протичат едновременно.
„Постигнахме 100-процентно превръщане на диарил етерите за 90 минути с висока селективност на съответните мономери“, заявяват авторите на проучването. Още по-впечатляващо е, че друго съединение се разгражда напълно при едва 30 °C, което показва, че методът може да работи при по-меки условия.
Освен това процесът не само разгражда молекулите, но и ги превърна в полезни продукти с много висока прецизност. В много случаи желаните химикали се образуваха с добив над 99 процента. Тези резултати показват, че след като твърдите връзки на лигнина бъдат разградени, системата може ефективно да превърне частиците в ценни химикали.
За да проверят дали това работи и извън лабораторията, екипът изпробва метода върху истинска брезова дървесина. След първоначален етап, при който са отстранени 81 процента от лигнина, се образуват едва 5 процента полезни продукти. Когато обаче новият метод е приложен при по-меки условия, добивът се увеличи до 13,6 процента за един час и до 19,6 процента за четири часа.
„Постигнахме добив от 19,6% фенолни мономери, получени от лигнин, от биомаса от брезова дървесина“, добавят авторите на проучването. Освен това процесът произведе полезни химикали-градивни елементи (като производни на сирингол и гваякол), използвани в горива и материали, като един ключов продукт съставлява 41,6% от продукцията.
По-екологичен път към химикалите
Тази работа представя нов вид платформа за биорафиниране, която работи с електричество вместо с изкопаеми горива или водород под високо налягане.
Чрез комбиниране на разграждане на връзки и химическо обогатяване в една стъпка при относително меки условия, тя предлага по-устойчив начин за превръщане на растителни отпадъци в ценни материали. Възможността за прецизно контролиране на реакциите чрез електрическа енергия също прави процеса гъвкав и потенциално мащабируем.
Въпреки това все още има какво да се подобри. Бъдещите изследвания вероятно ще се съсредоточат върху повишаване на ефективността и адаптиране на процеса за непрекъсната работа в голям мащаб.
Изследването е публикувано в списанието „Applied Catalysis B: Environment and Energy“.
Източник: InterestingEngineering
