Получаемая из растительного сырья бионефть — одна из основных альтернатив ископаемому топливу. По сравнению с обычной нефтью она обладает существенным недостатком — слишком высокой кислотностью, а значит, и коррозийной активностью. Причина в большом содержании воды и кислородсодержащих соединений, таких как альдегиды, кислоты, кетоны и фенолы. Все эти соединения делают бионефть нестабильной при хранении и повышают ее вязкость, кроме того, высокое содержание кислорода снижает теплотворность и препятствует смешиванию с другими видами топлива.
Проблема решается очисткой и удалением из бионефти кислородосодержащих соединений. Процесс проводится под давлением водорода, который «забирает» из сырья кислород. Подобные реакции требуют катализаторов, лучше всего подходят сульфиды, содержащие соединения переходных металлов — никеля, кобальта, вольфрама, молибдена. Они обладают высокой активностью и устойчивостью к действию кислородсодержащих соединений, но для них губительно наличие воды, разрушающей структуру катализатора, после чего он необратимо дезактивируется. Поэтому перед очисткой бионефти необходимо удалить из нее воду, что увеличивает стоимость процедуры.
Ученые МГУ имени М.В.Ломоносова вместе с коллегами из Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина, Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева и Самарского государственного технического университета предложили не отделять воду, используя ее в качестве источника водорода. Очистка в данном случае ведется в одну стадию, что снижает ее стоимость.
Ученые проводили исследование на модельном сырье — гваяколе. Это природное органическое вещество содержится в древесных отходах. В смеси с органическим растворителем и водой оно имитирует состав бионефти. В качестве предшественников активного компонента катализатора использовались нефтерастворимые соли молибдена и никеля, для его перевода в сульфидную форму добавляли серу. Эксперименты проводились в герметичном реакторе периодического действия под давлением монооксида углерода (СО) при температуре 320–380℃ и интенсивном перемешивании. Весь процесс занимал от четырех до восьми часов. Под действием температур в присутствии серы происходила трансформация солей металлов с образованием катализатора, который представлял собой черный порошок и легко отделялся от жидких продуктов. Процесс облагораживания бионефти включал несколько реакций: взаимодействие монооксида углерода (СО) с водой (реакция водяного газа) с образованием водорода и, непосредственно, гидродеоксигенацию.
Ученые неоднократно повторили эксперимент, варьируя условия: состав катализатора, содержание серы, количество водорода в газовой смеси и воды в реакционной системе, а также температуру и давление. Наиболее эффективно очистка происходила при использовании никель-молибденового катализатора с содержанием серы около 1,5%: сера предотвращала окисление катализатора и сохраняла его активность. Источник водорода и давление СО в газовой смеси, которой заполнялся реактор, практически не влияли на степень очистки.
Так как вода в ходе экспериментов служила источником водорода, ее количество в сырье стало одним из ключевых факторов, влияющих на процесс. Оптимальное содержание воды составило 20–40%. При более низком содержании воды водорода не хватало для удаления кислородсодержащих соединений, а при более высоком вода снижала активность катализатора. Наиболее быстро очистка проходила при самой высокой температуре — 380℃.
«Способ позволяет задействовать воду в бионефти в качестве источника водорода для улучшения свойств сырья. Подход дает возможность перерабатывать бионефть, минуя стадию отделения воды», — рассказала руководитель проекта, кандидат химических наук и старший научный сотрудник химического факультета МГУ Анна Вутопкина. По ее словам, полученные в результате проведенных экспериментов данные позволяют предложить технологию получения дешевого и качественного биотоплива.