Вода приводит к образованию химического продукта, который является примесью при производстве топлива

РИЧЛАНД, Вашингтон – Пытаясь понять химические процессы, которые превращают растительные материалы в аналогичный по энергоэффективности бензин и дизельное топливо, которыми мы заправляем автомобили, ученые обнаружили, что вода в процессе конверсии помогает создать примесь, которая, в свою очередь, замедляет основные химические реакции.

Данное исследование изучает конверсию биомасла, образуемого из биомассы, такой как древесная стружка или трава, в транспортное топливо. Ученые использовали компьютерную симуляцию для изучения того, что происходит с обычными биомасляными побочными продуктами. Вода, используемая в процессе производства биотоплива, превращает побочные продукты в смесь, которая останавливает и блокирует реакции, ведущие к биотопливу. Результаты влияют не только на воду, но и на сопутствующие жидкости в биомасле, такие как спирты и определенные виды кислот.

Исследование предоставляет всесторонний обзор побочного продукта фенола, вступающего в реакцию с катализаторами. Катализаторы – это вещества, которые химики используют для ускорения реакций, превращающих растения в топливо; реакции, происходящие глубоко внутри Земли миллионы лет, привели к образованию ископаемого топлива, используемого сегодня.

От травы к бензину

Для превращения растительных веществ в продукты, получаемые из нефти – бензин и пластик – химики должны понимать каждый шаг этого процесса. Для изготовления биотоплива, ученые быстро нагревали растительные вещества в процессе, называемом пиролиз. Затем они использовали катализаторы для превращения пиролизного масла в транспортное топливо.

В результате химической реакции ученые получили исходные продукты для топлива и побочный продукт, называемый фенол. Фенол, сам по себе, не представляет больших проблем для топлива, однако он находится в емкости с химическими веществами и водой, подвергаемых множеству реакций и превращается в молекулы, которые называются кетоны.

Кетоны соединяются с другими аналогичными веществами и образуют длинные цепочки, которые загрязняют катализаторы и мешают прохождению важных реакций. Ученые из PNNL (Национальная северо-западная тихоокеанская лаборатория) хотели узнать на молекулярном уровне, как фенол превращается в кетон. В результате они обнаружили, что это не вина катализатора.

Катализатор, изучаемый с помощью компьютерного моделирования

Существует несколько мнений, как это происходит. Команда ученых использовала компьютер для симуляции взаимодействия фенола с катализаторами и водой, чтобы пошагово исследовать, что же происходит на самом деле. Для определения роли воды в этой реакции, они также сымитировали аналогичные реакции в вакууме, где использовались все компоненты, кроме твердого катализатора в парообразной форме. Они проводили эти симуляции, используя ресурсы EMSL (Лаборатория мониторинга окружающей среды и вспомогательных работ), лаборатории Environmental Molecular Sciences Laboratory Департамента энергетики при PNNL.

В симуляциях катализатор обычно представляет собой кусок металла, никеля или платины. Молекулы фенола и воды произвольно отскакивают или приземляются на металлическую поверхность, где связи рвутся и повторно образуются между атомами внутри молекул, смещая электроны вокруг. Таким способом фенол может превращаться в кетон.

Команда ученых обнаружила, что присутствие воды существенно повышает скорость, с которой происходит окончательное превращение в кетон. Кроме того, вода также влияет на то, как металлический катализатор переносит свои электроны, что в свою очередь влияет на процесс катализации реакции между атомами фенола и водорода, находящихся на поверхности катализатора.

"Мы были очень удивлены, какую роль жидкости играют в химической активности катализатора", заявил Юхун Юн (Yeohoon Yoon), соавтор исследования. "Мы много знаем о данных реакциях в газообразной фазе, но почти ничего не знаем о данных реакциях в жидкостях. Принципы, о которых мы узнали, могут использоваться для других реакций, управляемых катализаторами. Они будут работать в комплексных системах реальных катализаторов, облегчая процесс создания биотоплива".

Вы можете посмотреть видео, на котором показан процесс образования примеси на катализаторе во время превращения биомасла в углеводородную смесь, которая далее очищается в пригодное для использования топливо (ссылка указана в оригинальной статье).

Источник новости