Растворение-гидролиз-дегидратация полисахаридов в присутствии твердых кислотных катализаторов в субкритической воде и водно-органических системах. Фундаментальные аспекты приготовления катализаторов и каталитических испытаний

Цель работы: получение фундаментальных знания, необходимых для дизайна новых «зеленых» процессов каталитической переработки растительного полисахаридного сырья (целлюлоза, гемицеллюлозы) в процессе растворения и последующего гидролиза-дегидратации в широко востребованные моносахариды (глюкоза, ксилоза) и фурфуролы (5-гидроксиметилфурфурол, фурфурол) с применением высокоэффективных твердых кислотных катализаторов. В 2017 году работы были направлены на разработку твердых кислотных катализаторов для процессов гидролиза полисахаридного сырья, а также модификацию экспериментальных установок. Получены следующие важнейшие результаты.Российскими участниками проекта приготовлена серия углеродных катализаторов на основе углеродного материала Сибунит, окисленного влажным воздухом при 400, 450, 500 °С. Катализаторы изучены набором физико-химических методов (адсорбция N2, ПЭМ, РФЭС, рН суспензии). Методами РФЭС и измерения рН суспензии показано, что увеличение температуры окисления приводит к существенному увеличению кислотности катализаторов без заметного ухудшения текстурных свойств (согласно ПЭМ и адсорбции азота).Различными методами (терморазложения солей, обработкой СВЧ-излучением, механохимической активации, методом сложноэфирных полимерных предшественников с последующим отжигом («метод Пекини») приготовлена серия из 12 оксидных катализаторов оксидов циркония и ниобия, а также смешанных оксидов. Катализаторы изучены набором физико-химических методов (адсорбция N2, РФА, рН суспензии). Оксидные каталитические системы обладают широким набором величин удельной поверхности (1-116 м2/г) и разнообразным фазовым составом. Измерение рН суспензии показало, что большинство катализаторов характеризуется умеренной силой кислотных центров (рН в диапазоне 6-7), а наиболее перспективными представляются аморфные оксиды ниобия и циркония, приготовленные методом СВЧ-облучения (рН суспензии 2-5). Выполнены испытания оксидных катализаторов в гидротермальной среде при 180 °С в течение 3 часов. Согласно результатам АЭС-ИСП анализа растворов после испытания, катализаторы обладают исключительной стабильностью, а степень вымывания элементов Nb и Zr менее 0.06%. Для испытания катализаторов в процессах растворения-гидролиза-деполимеризации полисахаридов (план на 2018 год) проведены модернизации каталитических автоклавных установок, созданных при выполнении предыдущих совместных проектов РФФИ. Российскими участниками проекта модернизирована статическая установка высокого давления, новая модификация которой позволяет проводить испытания катализаторов в двухфазных водно-органических средах при температурах до 250 °С и давлениях до 160 атм.Французскими участниками проекта модернизирована проточная установка. Введена в строй система двух последовательно соединенных проточных реакторов, позволяющая разделить стадии растворения полисахарида и гидролиза-деполимеризации олигосахаридов в ценные химические вещества. Французскими участниками проекта также разработаны методики синтеза катализаторов на основе оксида циркония в сверхкритических средах.