Движение «зеленых» по всему миру заставило человечество задуматься о ценности лесов, и теперь каждая уважающая себя корпорация, будучи главным потребителем офисной бумаги, добавляет к своей электронной корреспонденции строчку вроде «Пожалуйста, подумайте об окружающей среде, прежде чем отравлять этот документ в печать (Please consider the environment before printing this e-mail)».
Однако если электронная документация постепенно заменяет бумажную даже в самых консервативных сферах деятельности человека, то вот бензин пока заменить особо-то и нечем.
Китайские ученые впервые продемонстрировали, как можно осуществить достаточно дешевую и эффективную переработку древесины в биоэтанол и биодизельное топливо.
Сколько бы запасов нефти ни было разведано в грядущие годы, рано или поздно её подземные резервуары должны иссякнуть. Спор о том, синтезируется ли новая нефть в глубинах земли и океана или этот природный ресурс невосполним, пока не закрыт, но человечество все сильнее начинает задумываться об альтернативных источниках энергии. И если энергия атома или энергия, вырабатываемая гидроэлектростанциями, сможет покрыть какую-то часть потребностей индустрии и домашних хозяйств, то, как быть с огромным парком автотранспорта, до сих пор непонятно.
Считается, что лучшей заменой природному топливу может стать синтетический водород, однако эффективных и дешевых способов его получения, по всей видимости, придется подождать еще не пять и не десять лет. Между тем нехватка топлива, получаемого из нефти, ощущается уже сейчас. Косвенно это демонстрируют цены на нефть и нефтепродукты, упорно растущие день ото дня.
Заменить бензин можно биотопливом — этанолом и биодизелем, получаемыми переработкой растений. И пусть этот вид горючего не решит окончательно проблему выбросов СО2 в атмосферу, он все же является возобновляемым и более экологичным видом горючего для автотранспорта. В конце концов, пока растения, применяемые при его производстве, растут, они эффективно связывают углекислый газ в процессе фотосинтеза.
Именно поэтому многие автомобильные гиганты напрямую спонсируют разработки по переработке сахарной свеклы и тростника в биотопливо. Эти растения наиболее богаты крахмалом — основным исходным компонентом для производства этанола из природного сырья.
Однако, как недавно убедительно показали исследования Всемирного банка,
массовое использование сельскохозяйственных угодий под выращивание свеклы и тростника вместо пшеницы и капусты уже привело к значительному росту цен на продовольствие во всем мире.
В связи с этим возлагается много надежд на так называемое биотопливо второго поколения, которое будет производиться из большего количества природного сырья. Большую часть растительной биомассы составляют целлюлоза и лигнин. Однако их переработка в легкие углеводородные молекулы куда более сложна.
Даже природа за миллионы лет эволюции смогла наделить аппаратом усвоения целлюлозы лишь относительно небольшое количество живых существ, основную часть которых составляют насекомые или вовсе бактерии.
Человеку это умение не дано, зато он, похоже, не зря учился грызть гранит науки. Пока химики-технологи всего мира отчаянно пытаются оправдать сотни миллионов долларов, вложенных корпорациями в разработку методов переработки целлюлозы в жидкое биотопливо, китайские ученые обратили свой взор на молекулы лигнина, который также составляет значительную часть биомассы.
Природные полимерные молекулы, в принципе, не так уж и сложно разорвать на мелкие кусочки, однако отличие технологии от лабораторных экспериментов в том и состоит, что сделать это необходимо максимально дешево, в больших масштабах и при строгом контроле продукции на выходе. Именно в отсутствие возможности контроля продуктов разложения сложных природных молекул и упирается промышленное получение биотоплива из древесины.
Юань Коу из Пекинского университета вместе со своими коллегами продемонстрировал методику контролируемого разложения лигнина, в результате которого образуются алканы и спирты — основные компоненты биодизеля и биоэтанольного топлива.
Разумеется, процесс этот идет в несколько стадий, наиболее сложной из которых является стадия разрыва многочисленных связей углерод--кислород--углерод. Короткие органические цепочки, образующиеся в результате такой реакции лигнина, могут дальше уже разделяться, проходить дополнительную обработку и превращаться в насыщенные углеводороды и спирты.
Загвоздка в том, что для более эффективной конверсии лигнина в биоэтанол необходимо сохранить в коротких обрывках природной молекулы некоторое количество остаточных С--О--С связей. Они являются залогом легкого получения этанола на завершающих стадиях переработки природного сырья.
Как это часто бывает в химической технологии,
все ноу-хау авторов очередной инновации заключается в тщательном подборе параметров, при которых идет тот или иной технологический процесс.
В этом случае успех может потребовать не одного года напряженной работы, а потому подобные открытия демонстрируют только самые динамичные научные коллективы. Так же получилось и в случае китайских ученых. Статью о своих достижениях химики опубликовали в журнале ChemSusChem.
Команда Коу в новом цикле своих работ обратилась к прежним наработкам, согласно которым наилучшим растворителем для проведения реакции разложения лигнина является вода, нагретая до температуры в 250–300о С и находящая под давлением примерно в 70 атмосфер. Эти условия для воды являются близкими к критическим: если и дальше поднимать температуру и давление, то вода перейдет в сверхкритическое состояние, в котором свойства жидкой воды не будут отличаться от свойств водяных паров.
Естественно, одной только горячей воды и высокого давления мало для контролируемого разложения природной полимерной молекулы. Команда Коу экспериментировала с различными катализаторами, наилучшим из которых оказалась платина на углеродном носителе. Если же к воде примешать небольшую фракцию органического растворителя диоксана, это приведет к большому выходу и мономерных звеньев лигнина, содержащих только концевые связи углерод--кислород, и димеров с одной связью С--О--С внутри молекулы.
При выходе лигниновых мономеров до 45% выход димеров может составлять почти 12%, таким образом суммарный выход технологического процесса превышает 50%, что вдвое превышает выход всех предыдущих технологий!
Переработка полученных мономерных и димерных звеньев на дальнейших стадиях процесса — давно отлаженный промышленностью процесс. Он позволяет получать алканы с числом атомов в цепи от восьми до девяти, что является бензиновой фракцией, алканы с числом атомов от 12 до 18 могут пойти на производство биодизельного топлива, а этанол, также образующийся в ходе переработки, автомобильные двигатели уже научились потреблять в чистом виде.
По идее, эта технология переработки древесины в биотопливо подразумевает использование отходов деревоперерабатывающей промышленности. Научится ли человечество делать бензин из опилок и хватит ли этого топлива на всех — вопрос спорный. Чтобы узнать ответ, придется подождать внедрения китайской инновации в промышленный процесс.