Разработка новых методов каталитического фракционирования древесной биомассы на ценные химические продукты, основанных на применении биоуглеродных катализаторов

В России сосредоточено около четверти всех лесов планеты, что создает надежную сырьевую базу для производства химических продуктов из возобновляемого сырья - древесины и древесных отходов. Задачей исследований является создание научных основ новых методов каталитического фракционирования на ценные химические продукты отходов лиственной (береза) и хвойной (лиственница) древесины (опилки, стружка и др.), обеспечивающих переработку всех основных компонентов древесной биомассы. В проекте впервые предложено осуществлять комплексную переработку отходов древесины с получением муравьиной кислоты, фенолов и наноцеллюлоз путем интеграции каталитических реакций окислительного гидролиза гемицеллюлоз, гидрирования лигнина, гидролиза аморфной части целлюлозы с использованием кислотных и бифункциональных катализаторов на основе пористых биоуглеродных материалов (гидроуголь, углеродные ксерогели), полученных из древесной биомассы. Такие уникальные свойства биоуглеродных катализаторов, как наличие разнообразных функциональных групп, устойчивость в кислотной и щелочной среде открывают широкие перспективы их использования в различных процессах переработки биомассы. Для приготовления кислотных и бифункциональных биоуглеродных катализаторов будут применяться два подхода, а именно, гидротермальная обработка древесины с получением т.н. гидроугля и золь-гель синтез углеродных ксерогелей с использованием наноцеллюлоз и лигнина. Для развития пористой структуры биоуглеродных материалов будут использованы методы физической и химической активации. В процессе окислительного гидролиза древесных гемицеллюлоз до муравьиной кислоты будут протестированы бифункциональные биоуглеродные катализаторы, содержащие оксиды V, Mn, Zn, Cu. Бифункциональные биоуглеродные катализаторы, содержащие переходные металлы (Ni, Co, Ru, Pd) будут использованы для получения фенолов гидрированием лигнина муравьиной кислотой. Получение наноцеллюлоз будет осуществляться путем совмещения процесса гидролиза аморфной части целлюлозы в присутствии кислотных катализаторов и ультразвуковой обработки. Все указанные процессы переработки компонентов древесной биомассы будут осуществляться с использованием экологически безопасных растворителей - воды и этанола. Тематика проекта соответствует задачам поддерживаемому Красноярским регионом направлению 6. "Новые материалы и химия", ориентированным на производство из древесных отходов перспективных углеродных материалов, а именно, биоуглеродных катализаторов для процессов переработки древесного сырья в востребованные химические продукты и на производство высокотехнологичных инновационных полимеров - наноцеллюлоз. Практическая востребованность результатов проекта обусловлена тем, что получаемые из древесных отходов химические продукты находят применение в различных отраслях промышленности. Муравьиная кислота используется в химической, текстильной, резино-технической, фармацевтической промышленности и имеет хорошие перспективы применения в водородной энергетике. Фенольные соединения используются для производства востребованных ароматических соединений, полимеров и компонентов моторных топлив. Наноцеллюлозы находят постоянно возрастающее применение в фармацевтической, пищевой, бумажной, газо-нефтедобывающей промышленности, при производстве строительных материалов. Успешное решение задач проекта позволит предложить стратегию высокотехнологичной утилизации многотоннажных древесных отходов с получением востребованных химических продуктов, что позволит повысить рентабельность лесоперерабатывающих предприятий и уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую среду. Ожидаемые результаты исследований по своей новизне соответствуют мировому уровню и будут опубликованы в высокорейтинговых журналах (10 статей), представлены в докладах на международных и российских научных конференциях.