Kempinę primenantis katalizatorius gali transformuoti biodyzelio gamybą ir chemijos pramonę: pigaus ir ultraefektyvaus metodo galimybės atrodo beribės

Tyrėjai sukūrė galingą, nebrangų panaudoto kepimo aliejaus ir žemės ūkio atliekų perdirbimo į biodyzelį, o maisto ir plastiko atliekų – į vertingus produktus, metodą.

Šiam metodui naudojamas naujas ultraefektyvaus katalizatoriaus tipas, galintis kurti mažo anglies pėdsako biodyzelį ir kitas sudėtingas ir vertingas molekules iš įvairių, neišgrynintų žaliavų.

Dabar prieš paverčiant biodyzeliu, kepimo aliejaus atliekas reikia valyti, – o šiam procesui sunaudojama daug energijos, – nes komerciniuose gamybos metoduose naudojamose žaliavose gali būti tik 1-2% teršalų.

Naujasis katalizatorius toks pajėgus, kad gali biodyzelį gaminti iš prasto lygio žaliavos, kurioje teršalų gali būti iki 50%.

Jis toks efektyvus, kad gali padvigubinti gamybos procesų produktyvumą, transformuojant, pavyzdžiui, maisto atliekas, mikroplastiką ir senas padangas į vertingus prekursorius, naudojamus gaminant viską, nuo vaistų ir trąšų, iki biologiškai irių pakuočių.

Katalizatoriaus dizainas aprašomas naujame RMIT universiteto vadovaujamo tarptautinio sandarbio tyrime, publikuotame Nature Catalysis.

Kitas vyr. tyrėjas, RMIT profesorius Adam Lee, RMIT, sakė, kad įprastose katalizės technologijose būtina naudoti itin grynas žaliavas ir taikyti brangius inžinerinius sprendimus, kurie padėtų kompensuoti nedidelį jų efektyvumą.

„Šiuolaikinio gyvenimo kokybė kritiškai priklausoma nuo sudėtingų molekulių, palaikančių mūsų sveikatą ir suteikiančių vertingą maistą, švarų vandenį ir pigią energiją,“ sakė Lee.

„Šios molekulės dabar gaminamos netvariais cheminiais procesais, kurie teršia atmosferą, dirvą ir vandenį.

„Naujasis mūsų katalizatorius gali padėti išgauti visą žaliavų potencialą, kuris kitu atveju keliautų sąvartynan — nuo dvokiančio kepimo aliejaus iki ryžių lukštų ir daržovių lupenų — žiedinės ekonomikos vystymui.

„O radikaliai pagerintas efektyvumas padeda gerokai sumažinti chemijos įmonių kuriamą taršą ir priartinti žaliosios chemijos revoliuciją.“

Katalitinė kempinė: žaliosios chemijos pažanga

Ultraefektyvų katalizatorių komanda pagamino iš mikronų dydžio keraminę kempinę (100 kartų mažesnę už žmogaus plauko storį), kuri itin porėta ir joje yra skirtingi specializuoti aktyvūs komponentai.

Molekulės iš pradžių patenka į kempinę per dideles poras, kur vyksta pirmoji cheminė reakcija, o tada pereina į smulkesnes poras, kur vyksta antroji.

Toks daugiafunkcinis katalizatorius, kuriuo kelias chemines reakcijas iš eilės galima atlikti vienoje katalizatoriaus dalelėje, buvo sukurtas pirmą kartą, ir tai gali pakeisti $34 milijardų vertės pasaulinės katalizatorių rinkos žaidimo taisykles.

Vyr. tyrėja profesorė Karen Wilson, irgi iš RMIT, pažymėjo, kad naujasis katalizatoriaus dizainas mėgdžioja žmogaus ląstelėse sudėtingas chemines reakcijas koordinuojančių fermentų veikimą.

„Anksčiau katalizatoriai buvo kuriami taip, kad galėtų atlikti daug tokių pačių reakcijų vienu metu, bet taip cheminę reakciją sunku kontroliuoti ir ji darosi neefektyvi ir nenuspėjama,“ paaiškino Wilson.

„Mes įkvėpimo galingiems ir tiksliai daug reakcijų nustatyta seka atliekantiems katalizatoriams ieškome gamtiniuose katalizatoriuose — fermentuose —.

„Tai lyg nanometrinė cheminių reakcijų vykdymo linija — viskas telpa mažoje ir superefektyvioje katalizatoriaus dalelėje.“

Gaminkis dyzelį pats: paskirstytoji biokuro gamyba

Kempininių katalizatorių gamyba pigi, nenaudojama jokių tauriųjų metalų.

Su šiais katalizatoriais, mažaanglio biodyzelio gaminimui iš žemės ūkio atliekų tereikia didelės talpos, šiek tiek šilumos ir maišymo.

Toks technologiškai nesudėtingas, nebrangus būdas gali paskatinti decentralizuotą biokuro gamybą ir sumažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro.

„Tai ypač svarbu besivystančiose šalyse, kur dyzelis dažnai naudojamas namus elektra aprūpinančiuose generatoriuose,“ pabrėžė Wilson.

„Suteikę ūkininkams galimybę pasigaminti dyzelį iš žemės ūkio atliekų, tarkime, ryžių pelų, anakardžių ir ricinmedžių sėklų lukštų, padėtume išspręsti kritiškas energijos trūkumo ir anglies dvideginio emisijų problemas.“

Nors dabar naujieji katalizatoriai gali būti naudojami biodyzelio gamyboje, vėliau jie nesunkiai gali būti pritaikyti gaminti reaktyvinių variklių kurą iš žemės ir miškų ūkių atliekų, senų padangų ir netgi dumblių.

Kitas RMIT Mokslo mokyklos tyrimo komandos žingsnis – katalizatorių gamybos padidinimas nuo gramų iki kilogramų ir 3D spausdinimo technologijų pritaikymas komercializavimui paspartinti.

„Taip pat tikimės išplėsti cheminių reakcijų spektrą, įtraukiant aktyvavimą šviesa ir elektra, kas galėtų pasitarnauti tokiose pažangiose technologijose kaip dirbtinė fotosintezė ir kuro elementai,“ sakė Lee.

„Ketiname su potencialiais verslo partneriais sukurti komerciškai prieinamus katalizatorius, skirtus įvairiausioms reikmėms.“

RMIT University

Nuoroda: „A spatially orthogonal hierarchically porous acid–base catalyst for cascade and antagonistic reactions“ by Mark A. Isaacs, Christopher M. A. Parlett, Neil Robinson, Lee J. Durndell, Jinesh C. Manayil, Simon K. Beaumont, Shan Jiang, Nicole S. Hondow, Alexander C. Lamb, Deshetti Jampaiah, Michael L. Johns, Karen Wilson and Adam F. Lee, 26 October 2020, Nature Catalysis.
DOI: 10.1038/s41929-020-00526-5