Магнитноотделяемые полимерные катализаторы для процессов конверсии биомассы в сырьё для химической и топливной промышленности

За весь срок реализации проекта, в соответствии с планом исследований, были получены следующие результаты. Разработана методика синтеза наночастиц магнетита (Fe3O4) в порах полимерной матрицы сверхсшитого полистирола (СПС) марок MN270 (нефункционализированный) и MN100 (функционализированный аминогруппами). В ходе исследований были оптимизированы условия синтеза Fe3O4-СПС: природа прекурсора Fe3O4, соотношение реагентов в исходной смеси, температура и продолжительность реакции синтеза, а также другие параметры. В результате, разработанная методика позволяет получать СПС, содержащий в порах наноразмерные частицы Fe3O4, устойчивый до температур порядка 400 - 450 °С (в бескислородной атмосфере) и легко отделяемый от реакционной смеси посредством внешнего магнитного поля. Получены данные исследований Fe3O4-СПС физико-химическими методами. Показано, что размер частиц магнетита находится в пределах 40 ± 5 нм, а все образцы Fe3O4-СПС являются микро-мезопористыми, и формирование наночастиц магнетита в матрице СПС оказывает существенное влияние на удельную площадь поверхности и соотношение микро- и мезопор. Исследованы магнитные свойства Fe3O4-СПС. В частности, получены данные о типе намагниченности, определено значение намагниченности насыщения (4,0 ± 0,5 э.м.е./г). Разработаны оригинальные методики синтеза магнитноотделяемых гетерогенных катализаторов состава Ru-Fe3O4-СПС с различным содержанием рутения на основе полимерной матрицы сверхсшитого полистирола (СПС). Разработанные методики позволяют получать катализаторы с заданным содержанием активного металла и обладающие намагниченностью насыщения на уровне 4 э.м.е./г, что позволяет быстро и эффективно отделять их от реакционной среды посредством внешнего магнитного поля. Получены результаты физико-химических исследований синтезированных образцов катализаторов методами низкотемпературной адсорбции азота, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, ИК-Фурье-спектроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и других. В частности, установлены характер пористости, качественный и количественный состав поверхности катализаторов; размер наночастиц магнетита и рутения; определены магнитные свойства образцов и их элементный состав. Разработаны методики гидрогенолиза и гидролитического гидрирования целлюлозы, гемицеллюлозы и инулина до полиолов в присутствии оптимальных катализаторов состава Ru-Fe3O4-СПС. Наиболее активными магнитноотделяемые катализаторы оказались в процессах гидрогенолиза целлюлозы до этилен- и пропиленгликоля, вследствие наличия в их составе магнетита, промотирующего разрыв связей C-C, а также в реакции гидролитического гидрирования инулина до маннита. Получены результаты исследования влияния химического строения и структуры катализаторов, а также реакционных условий, на выход полиолов. Определены оптимальные условия процессов гидрогенолиза и гидролитического гидрирования целлюлозы, гемицеллюлозы и инулина. Определена стабильность разработанных магнитноотделяемых каталитических систем в гидротермальных условиях. Показано, что данные катализаторы устойчивы в процессах гидрогенолиза целлюлозы и гидролитического гидрирования инулина, но в случае гидролитического гидрирования ксиланов могут терять магнитные свойства вследствие растворения магнетита, обусловленного образованием кислых продуктов реакции. Разработаны общие подходы и рекомендации к синтезу и совершенствованию магнитноотделяемых каталитических систем на основе полимерной матрицы сверхсшитого полистирола для использования в процессах конверсии углеводсодержащей биомассы до полиолов. В частности, показано, что высокотемпературный синтез магнетита в порах полимера должен проводиться в инертной (бескислородной атмосфере), с использованием прекурсоров, при термодеструкции которых не образуется кислород. Полученные научные результаты были использованы для подготовки статей в периодических научных изданиях, а также представлены на различных конференциях в виде устных и стендовых докладов.