Изследователи от Масачузетския технологичен институт превръщат растителния материал лигнин във

Изследователи от Масачузетския софтуерен институт трансформират растителния материал лигнин във въглеводородни молекули, които биха могли да оказват помощ за превръщането на самолетното гориво в 100 % стабилно. В публикация, оповестена в списанието на MIT Energy Initiative се споделя за научното достижение. Ето детайлностите: През 2021 година съвсем една четвърт от световните излъчвания на въглероден диоксид идват от транспортния бранш, като авиацията има забележителен принос. Въпреки че възходящото потребление на електрически транспортни средства оказва помощ за изчистване на наземния превоз, днешните акумулатори не могат да се конкурират с течните въглеводороди, получени от изкопаеми горива, във връзка с силата, доставяна на кг тегло - главен проблем, когато става въпрос за хвърчене. Междувременно, въз основа на планувания растеж в търсенето на пътувания, се планува потреблението на реактивно гориво да се удвои сред в този момент и 2050 година - годината, до която интернационалната авиационна промишленост даде обещание да бъде въглеродно неутрална. Много групи са се насочили към 100 % стабилно въглеводородно гориво за самолети, само че без необикновен триумф. Част от предизвикването е, че авиационните горива са толкоз строго контролирани. „ Това е подклас горива, който има доста характерни условия във връзка с химията и физическите свойства на горивото, тъй като не можете да рискувате нещо да се обърка в мотор на аероплан “, споделя Юрий Роман-Лешков. " Ако летите на 30 000 фута, на открито е доста студено и не желаете горивото да се сгъсти или замръзне. Ето за какво формулата е доста характерна ". Авиационното гориво е композиция от два огромни класа химични съединения. Около 75 до 90 % от него се състои от „ алифатни “ молекули, които се състоят от дълги вериги от въглеродни атоми, свързани дружно. „ Това е сходно на това, което бихме намерили в дизеловите горива, тъй че това е типичен въглеводород, който е там “, изяснява Роман-Лешков. Останалите 10 до 25 % се състоят от " ароматни " молекули, всяка от които включва най-малко един пръстен, формиран от шест свързани въглеродни атома. В множеството транспортни горива ароматните въглеводороди се преглеждат като източник на замърсяване, тъй че те се отстраняват допустимо най-вече. В авиационните горива обаче би трябвало да останат някои ароматни молекули, защото те дефинират нужните физически и горивни свойства на цялата примес. Те извършват и още една сериозна задача: подсигуряват, че уплътненията сред другите съставни елементи в горивната система на самолета са плътни. „ Ароматите се всмукват от пластмасовите уплътнения и ги карат да набъбват “, изяснява Роман-Лешков. „ Ако по някаква причина горивото се промени, уплътненията също могат да се трансформират, а това е доста рисково. “ В резултат на това ароматните съединения са нужен съставен елемент - само че те също са спънка в придвижването за основаване на устойчиви авиационни горива или SAF. Компаниите знаят по какъв начин да създадат алифатната секта от негодни за консумация елементи от растения и други възобновими източници, само че към момента не са създали утвърден способ за генериране на ароматна секта от устойчиви източници. В резултат на това има „ смесваща се стена “, изяснява Роман-Лешков. „ Тъй като имаме потребност от това ароматно наличие – без значение от неговия източник – постоянно ще има ограничаване за това какъв брой от устойчивите алифатни въглеводороди можем да използваме, без да променяме свойствата на сместа. “ Той отбелязва сходна стена на разбъркване с бензин. „ Имаме доста етанол, само че не можем да прибавим повече от 10 %, без да променим свойствата на бензина. Без дефицит на възобновим първоначален материал или опити за преобразуването му През последните пет години разбирането и решаването на казуса " Устойчиво авиационно гориво (SAF) " беше задачата на проучванията на Роман-Лешков и неговия екип от Масачузетския софтуерен институт, както и техните сътрудници във Вашингтонския Държавен университет, Националната лаборатория за възобновима сила (NREL) и Тихоокеанската северозападна национална лаборатория. Тяхната работа е фокусирана върху лигнин, здрав материал, който дава на растенията структурна опора и отбрана против микроби и гъбички. Около 30 % от въглерода в биомасата е в лигнин, само че когато етанолът се генерира от биомаса, лигнинът остава като отпадъчен артикул. Въпреки храбрите старания, никой не е намерил стопански жизнерадостен, мащабируем метод да трансформира лигнина в потребни артикули, в това число ароматните молекули, нужни, с цел да направи реактивното гориво 100 % стабилно. Защо не - споделя Роман-Лешков: „ Това е поради неговата химическа непокорност “. Трудно е да го накараш да реагира химически по потребни способи. В резултат на това всяка година милиони тонове отпадъчен лигнин се изгарят като нискокачествено гориво, употребяват се като тор или просто се изхвърлят. Разбирането на казуса изисква схващане какво се случва на атомно равнище. Една единствена молекула лигнин - отправната точка на предизвикването, е огромна " макромолекула ", формирана от мрежа от доста ароматни пръстени, свързани с кислородни и водородни атоми. Казано просто, ключът към превръщането на лигнина в ароматната секта на SAF е да се разбие тази макромолекула на по-малки части, до момента в който в процеса се отърват от всички кислородни атоми. Като цяло, множеството промишлени процеси стартират с химическа реакция, която предотвратява последващото надграждане на лигнин: Тъй като лигнинът се извлича от биомасата, ароматните молекули в него реагират една с друга, свързвайки се дружно, с цел да образуват мощни мрежи, които няма да реагират повече. В резултат на това лигнинът към този момент не е потребен за произвеждане на авиационни горива. За да избегнат този резултат, Роман-Лешков и неговият екип употребяват различен метод - те употребяват катализатор, с цел да провокират химическа реакция, която нормално не би се случила по време на екстракция. Чрез реагиране на биомасата в наличието на катализатор на основата на рутений, те са в положение да отстранят лигнина от биомасата и да произведат черна течност, наречена лигниново масло. Този артикул е химически постоянен, което значи, че ароматните молекули в него към този момент няма да реагират една с друга. Така че в този момент откривателите сполучливо са разрушили истинската макромолекула лигнин на фрагменти, които съдържат единствено един или два ароматни пръстена всеки. Въпреки това, до момента в който изолираните фрагменти не реагират химически, те към момента съдържат кислородни атоми. Следователно остава една задача - намирането на метод за премахване на кислородните атоми. Всъщност, споделя Роман-Лешков, прекосяването от молекулите в лигниновото масло до целевите ароматни молекули изисква от тях да извършат три неща в една стъпка: Те трябваше селективно да раздерат въглеродно-кислородните връзки, с цел да освободят кислородните атоми; те трябваше да заобикалят включването на невъглеродни атоми в ароматните пръстени (например атоми от водородния газ, който би трябвало да участва, с цел да се появят всички химични трансформации); и те трябваше да запазят въглеродния гръбнак на молекулата - т.е. серията от свързани въглеродни атоми, които свързват оставащите ароматни пръстени. В последна сметка Роман-Лешков и неговият екип откриха специфична съставна част, която ще свърши работа - катализатор от молибденов карбид. „ Това в действителност е в действителност необикновен катализатор, тъй като може да извършва тези три дейности доста добре “, споделя Роман-Лешков. „ Освен това е извънредно резистентен на токсини. Растенията могат да съдържат доста съставни елементи като протеини, соли и сяра, които постоянно отравят катализаторите, тъй че те към този момент не работят. Но молибденовият карбид е доста здрав и не се въздейства мощно от такива примеси. Пробвайки го върху лигнин от тополи За да тестват метода си в лабораторията, откривателите първо проектираха и построиха профилиран реактор с " trickle-bed ” - тип химически реактор, в който както течности, по този начин и газове текат надолу през препълнен пласт от частици катализатор. След това те получиха биомаса от топола - дърво, известно като „ енергийна просвета “, тъй като пораства бързо и не изисква доста тор. Като начало те реагираха на биомасата от топола в наличието на техния катализатор на основата на рутений, с цел да извлекат лигнина и да произведат лигниново масло. След това те прекараха маслото през техния реактор с гладко легло, съдържащ молибденовия карбид катализатор. Образуваната примес съдържа част от целевия артикул, само че също по този начин и доста други, които към момента съдържат кислородни атоми. Роман-Лешков отбелязва, че в реактор с промивно легло времето, през което лигнинът е изложен на катализатора, зависи напълно от това какъв брой бързо капе надолу през натъпкания пласт. За да усилят времето на излагане, те се пробваха да прекарат маслото през същия катализатор два пъти. Въпреки това, разпределението на продуктите, които се образуваха при второто прекосяване, не беше както те бяха планували въз основа на резултата от първото прекосяване. С по-нататъшно следствие те схванаха за какво. Първият път, когато лигниновото масло капе през реактора, то отсрочва О2 върху катализатора. Отлагането на О2 трансформира държанието на катализатора, тъй че избрани артикули се появяват или изчезват - като температурата е сериозна. „ Температурата и наличието на О2 дефинират положението на катализатора при първото прекосяване “, споделя Роман-Лешков.  " След това, при второто прекосяване, наличието на О2 в потока е по-ниско и катализаторът може изцяло да унищожи останалите въглеродно-кислородни връзки. "  По този метод процесът може да работи непрестанно: два обособени реактора, съдържащи самостоятелни каталитични пластове, ще бъдат свързани поредно, като първият ще обработва авансово лигниновото масло, а вторият ще отстранява останалия О2. Въз основа на поредност от опити, включващи лигниново масло от тополова биомаса, откривателите дефинираха работните условия, даващи най-хубав резултат: 350 градуса по Целзий в първия стадий и 375 C във втория стадий. При тези усъвършенствани условия сместа, която се образува, е доминирана от целевите ароматни артикули, като остатъкът се състои от дребни количества други алифатни молекули на реактивно гориво и някои останали молекули, съдържащи О2. Катализаторът остава постоянен, до момента в който генерира повече от 87 % (тегловни) ароматни молекули. „ Когато вършим нашата химия с катализатор молибденов карбид, нашите общи въглеродни добиви са съвсем 85 % от теоретичния въглероден рандеман “, споделя Роман-Лешков. „ При множеството процеси на превръщане на лигнин, добивите на въглерод са доста ниски, от порядъка на 10 %. Ето за какво общността на катализата беше доста разчувствана от нашите резултати - тъй като хората не са виждали въглеродни добиви толкоз високи, колкото тези, които генерирахме с този катализатор. Остава един основен въпрос: сместа от съставни елементи, която се образува, има ли свойствата, нужни за авиационно гориво? „ Когато работим с тези нови субстрати, с цел да произвеждаме нови горива, сместа, която сътворяваме, е друга от общоприетото реактивно гориво “, споделя Роман-Лешков. „ Освен в случай че няма точните свойства, които се изискват, няма да дава отговор на изискванията за узаконяване като реактивно гориво. “ За да ревизират своите артикули, Роман-Лешков и неговият екип изпращат проби до Вашингтонския държавен университет, където екип ръководи лаборатория за горене, отдадена на тестване на горива. Резултатите от първичното изпитване на състава и свойствата на пробите са обнадеждаващи. Въз основа на състава и оповестените принадлежности и процедури за прелиминарен обзор, откривателите са създали първични прогнози за свойствата на своите проби и те наподобяват добре. Например, планува се точката на заледяване, вискозитетът и праговият показател на сажди да бъдат по-ниски от стойностите за стандартните авиационни ароматни съединения. (С други думи, техният материал би трябвало да тече по-лесно и да е по-малко евентуално да замръзне от стандартните ароматни съединения, като в същото време генерира по-малко сажди в атмосферата, когато горят.) Следващи стъпки Изследователите не престават да изследват по какъв начин се държат техните смеси от проби при разнообразни температури и по-специално какъв брой добре извършват тази основна задача: накисване и отичане на уплътненията вътре в реактивните мотори. „ Тези молекули не са типичните ароматни молекули, които се употребяват в реактивното гориво “, уточни Роман-Лешков. „ Предварителните проби с пробни уплътнения демонстрират, че няма разлика в метода, по който с нашите ароматни субстанции, получени от лигнин, уплътненията набъбват, само че би трябвало да потвърдим това. Няма място за неточност. ” В допълнение, той и неговият екип работят със своите сътрудници от Националната лаборатория за възобновима сила (NREL), с цел да разширят своите способи. NREL има доста по-големи реактори и друга инфраструктура, нужна за производството на огромни количества от новата устойчива примес. Въз основа на обещаващите резултати до момента екипът желае да бъде квалифициран за по-нататъшните проби, нужни за узаконяването на реактивни горива. В допълнение към тестването на проби от горивото, цялостната процедура за узаконяване изисква демонстриране на държанието му в работещ мотор - „ не по време на полет, а в лаборатория “, разяснява Роман-Лешков. В допълнение към условието за огромни проби, тази проява лишава доста време и е скъпа - заради което е последната стъпка в прецизното тестване, належащо за утвърждение на ново стабилно авиационно гориво. Роман-Лешков и сътрудниците му в този момент изследват потреблението на техния метод с други типове биомаса, в това число бор, горска трева и царевица (листа, стъбла и кочани, останали след прибиране на царевицата). Но техните резултати с тополова биомаса са обещаващи. Ако по-нататъшни проби потвърдят, че техните ароматни артикули могат да заменят ароматните съединения в реактивното гориво, „ стената на разбъркване може да изчезне “, споделя Роман-Лешков. „ Ще разполагаме със средства за произвеждане на всички съставни елементи в авиационното гориво от възобновим материал, което евентуално ще докара до самолетно гориво, което е 100 % стабилно. “ Повече информация за финансирането на проучването и за неговите създатели, можете да намерите в истинската публикация, която е оповестена в списанието на MIT Energy Initiative и е налична.