Комплексная переработка возобновляемого органического сырья, включая древесные отходы, с получением химических веществ, биотоплив и функциональных материалов, востребованных для космических приложений, а также в медицине, пищевой и химической промышленности, сельском хозяйстве, энергетике и охране окружающей среды (промежуточный за 2019 год)

Установлено, что процессы пероксидной делигнификации хвойных (ель, сосна, пихта, лиственница) и лиственных (осина, береза) пород древесины в присутствии катализатора TiO₂ описываются уравнением реакции 1-го порядка, значения энергий активации варьируются от 76 до 94 кДж/моль. Экспериментальными и расчетными методами определены оптимальные условия каталитической пероксидной делигнификации хвойной и лиственной древесины, обеспечивающие получение микрокристаллической целлюлозы в одну стадию с использованием экологически безопасных реагентов. Предложено получать микрофибриллированную целлюлозу (МФЦ) из древесины ели с выходом 28,3 мас. % менее энергозатратным, чем традиционные, методом, включающим стадии каталитической пероксидной делигнификации, кислотного гидролиза, ультразвуковой обработки и лиофильной сушки целлюлозы. Согласно данным атомно-силовой микроскопии, поверхность пленки МФЦ сформирована частицами диаметром около 80 нм и не содержит посторонних включений. Водные коллоиды МФЦ устойчивы в течение длительного времени. После лиофильной сушки замороженных суспензий МФЦ получен объемный, легкий, пористый материал, состоящий из микрофибрилл. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых экологически безопасных процессов каталитической биорефайнери хвойной и лиственной древесины с получением микрокристаллической и микрофибриллированной целлюлоз, органических кислот и сахаров С₆ - С₅. В процессе термопревращения древесины ели при температуре 225°С в среде суперкритического этанола применение твердого кислотного катализатора - 3%-ного Ru/С позволяет повысить конверсию древесины до 50 мас. %, выход жидких продуктов - до 37 мас. %, мономеров метоксифенолов - до 19 мас. %. В этих условиях основным мономерным продуктом превращения лигнина является пропилгваякол, выход которого составил 11,8 мас. %. В аналогичных условиях в присутствии водорода выход мономерных метоксифенолов увеличился до 36 мас. % и полиолов - до 27 мас. %. Твердый продукт, полученный в этих условиях, содержит до 96 мас. % целлюлозы. Таким образом, каталитический гидрогенолиз в среде сверхкритического этанола при 225°С в присутствии бифункционального катализатора Ru/углерод позволяет осуществить фракционирование биомассы древесины ели на целлюлозу и жидкие продукты, обогащенные мономерами метоксифенолов. Для объяснения механизма действия твердых катализаторов в процессах деполимеризации биомассы предложена модель двойного электрического слоя, которая хорошо описывает гидролиз целлюлозы на твердых кислотных катализаторах. Факторы, которые обеспечивают гидролиз, - это высокая концентрация свободных протонов в диффузном слое и электростатическое притяжение протонированной целлюлозы к катализатору, втягивающее ее в этот концентрированный слой.