Syntetyczne mezoporowate zeolity jako lepsze katalizatory w reakcjach przetwarzania biomasy
Piroliza w obecności katalizatora to proces pozwalający na przekształcanie biomasy, na przykład drewna, odpadów rolnych lub pozostałości roślinnych w ciecz, która może być następnie przetwarzana w istniejących rafineriach na paliwa transportowe i inne użyteczne substancje chemiczne. Naukowcy skupieni wokół finansowanego przez Unię Europejską projektu ECOCAT, realizowanego dzięki wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, usprawnili ten proces dzięki opracowaniu i przetestowaniu syntetycznego katalizatora w specjalnie zaprojektowanym urządzeniu eksperymentalnym.
Bardziej aktywny, selektywny i wydajny katalizator
Proces pirolizy biomasy w obecności katalizatora opiera się na szybkim podgrzewaniu biomasy do temperatury wynoszącej około 500 ºC w tak zwanej atmosferze obojętnej, w której nie występują gazy reaktywne. W miarę ulegania rozkładowi, z biomasy uwalniane są związki zawierające tlen w postaci oparów, które wchodzą następnie w kontakt ze stałym katalizatorem, zapoczątkowując reakcje na jego powierzchni powodujące usunięcie tlenu z oksygenatów. Pozostałe opary są następnie szybko schładzane i skraplane, co pozwala na uzyskanie pożądanych substancji chemicznych. „Katalizator odgrywa w tym procesie kluczową rolę, ponieważ odpowiada za usuwanie tlenu z oksygenatów, a w konsekwencji powstawanie stabilnych produktów reakcji, które mogą być następnie uzdatniane w celu otrzymania odnawialnych paliw transportowych lub innych użytecznych substancji chemicznych. Produkty te pozwalają na zastąpienie związków ropopochodnych w wielu zastosowaniach – mogą stanowić podstawę dodatków do paliw, rozpuszczalników, tworzyw sztucznych i leków”, wyjaśnia koordynator projektu Stelios Stefanidis. Mikroporowate zeolity, które występują w formie krystalicznych ciał stałych, są najczęściej wykorzystywane w roli katalizatorów. Ich mikropory pomagają w ograniczaniu powstawania niepożądanych produktów ubocznych reakcji, jednak skutkiem ubocznym jest to, że nie pozwalają także na maksymalizację odtleniania oksygenatów. Niektóre spośród największych cząsteczek zawierających tlen nie są w stanie dotrzeć do obszarów kwasu w mikroporach, co jest niezbędne do wystąpienia reakcji odtleniania – w wyniku tego reagują tylko z samą powierzchnią katalizatora. Naukowcy skupieni wokół projektu ECOCAT dokonali syntezy katalizatorów zeolitowych zmodyfikowanych w taki sposób, by uzyskać większe pory – określane nazwą mezoporów, a następnie przeprowadził ich testy. Mezopory umożliwiają dostęp większych cząsteczek zawierających tlen, które ulegają następnie krakingowi na mniejsze elementy, trafiające do mikroporów. Zespół eksperymentował z różnymi warunkami obróbki mikroporowatych zeolitów, a także ze zróżnicowanymi stopniami porowatości i porami różnej wielkości. W wyniku przeprowadzonych doświadczeń okazało się, że kilka spośród uzyskanych mezoporowatych zeolitów oferuje lepsze osiągi w zakresie odtleniania niż mikroporowate zeolity, na bazie których zostały uzyskane, a ich zastosowanie wiązało się z większą wydajnością procesu oraz lepszą produkcją cennych związków. Naukowcom udało się powtórzyć rezultaty otrzymane w badaniach z wykorzystaniem katalizatorów w formie sproszkowanej w doświadczeniach z udziałem większych cząsteczek, uzyskanych w wyniku połączenia przy pomocy spoiwa, odpowiadających warunkom panującym w większych reaktorach, wykorzystywanych w przetwarzaniu materiałów na skalę komercyjną.
Uniezależnienie od produktów ropopochodnych
Wykorzystanie lokalnych zasobów odnawialnych i odpadów do produkcji biopaliw i substancji chemicznych może spowodować, że reakcja pirolizy pozwoli na zastąpienie produktów ropopochodnych. Takie rozwiązanie pozwoliłoby na dywersyfikację źródeł energii, zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych i wzmocnienie lokalnych sektorów, takich jak leśnictwo i rolnictwo. „Przedsiębiorstwa na całym świecie, między innymi AnelloTech i BioBTX, już teraz prowadzą starania ukierunkowane na komercjalizację pirolizy w obecności katalizatora. Bardziej aktywny i selektywny katalizator mógłby zmniejszyć koszty operacyjne pirolizy biomasy, zwiększając konkurencyjność i zwiększając atrakcyjność komercyjną tego procesu, prowadząc do tak potrzebnej popularyzacji”, twierdzi Stefanidis. Obecnie zespół projektu ECOCAT skupia się na pozyskaniu funduszy na przeprowadzenie dalszych badań swoich mezoporowatych katalizatorów na większą skalę, bardziej zbliżoną do rozwiązań stosowanych w przemyśle.
Słowa kluczowe
ECOCAT, biomasa, katalizator, zeolity, piroliza w obecności katalizatora, dodatki, rozpuszczalniki, tworzywa sztuczne, leki, paliwo
