Ученые НГУ запатентовали катализатор для превращения пластика в моторное топливо

Патент на способ приготовления катализатора для переработки пиролизного масла из смешанных пластиковых отходов в высококачественные керосиновые и дизельные фракции получил коллектив исследователей кафедры физической химии Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета (ФЕН НГУ) и Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. Разработка успешно прошла испытания в лабораторных условиях и внедряется на производстве компании ООО «Ониум плюс» (Москва). Она не имеет аналогов на рынке и существенно отличается от катализаторов, применяющихся при переработке типичного нефтяного сырья.   

Пиролизное масло отличается повышенным содержанием непредельных углеводородов — алкенов и ароматических углеводородов. Переработка такого сырья с применением катализаторов, аналогичных используемым при переработке нефти, затруднительна: вещества разных классов ведут себя по-разному, особенно если находятся в таких сложных смесях, как продукты пиролиза пластиковых отходов. Перед нами была поставлена задача создать катализатор, который, во-первых, способствовал бы процессу депарафинизации: без такой обработки топливо, полученное из пиролизного масла, вызывает образование нагара на частях двигателя, что приводит к быстрому выходу механизма из строя. Чтобы избежать этого, непредельные углеводороды необходимо превратить в насыщенные предельные, подобрав подходящий катализатор. Во-вторых, чтобы топливо не замерзало при низких температурах, нужно максимально понизить температуру его помутнения и застывания — это достигается изомеризацией углеводородов, входящих в состав дизельной и керосиновой фракций. В-третьих, катализатор не должен вызывать значительного изменения фракционного состава, так как само по себе пиролизное масло уже попадает в диапазон температур кипения, характерных для керосиновых и дизельных топлив. Чтобы наш катализатор обладал всеми этими тремя свойствами, мы разработали группу катализаторов, способных в зависимости от состава пиролизного масла превращать его в моторное топливо, — пояснил ассистент кафедры физической химии ФЕН НГУ, аспирант НГУ, младший научный сотрудник Института катализа СО РАН Всеволод Вдовиченко.

По структуре новый катализатор близок к классическим: в него входит гидрирующий металлический компонент, а также цеолит, обеспечивающий изомеризацию и позволяющий сформировать материал в виде порошка с частицами определенного размера — в зависимости от того, в каком конкретно реакторе будет использоваться катализатор. Ученые испытывали в переработке пиролизного масла различные цеолиты с трехмерной и одномерной структурой каналов. В ходе экспериментов выяснилось, что применение одномерного цеолита ZSM-23 позволяет значительно улучшить низкотемпературные свойства и приблизиться к критериям (а по некоторым параметрам даже превзойти их), которые требуются по стандартам для авиационного керосина — авиационного топлива Jet A-1.

В настоящий момент получен патент по способу приготовления композитных катализаторов, содержащих оксид алюминия и цеолит, и ожидается решение по заявке на состав катализаторов и их применение в каталитической переработке пластиковых отходов.

Пластиковые отходы перерабатываются разными способами. Существует два основных подхода: пиролиз с последующей каталитической переработкой и пиролиз с каталитическим слоем. В первом случае переработка идет в два последовательных этапа, во втором — оба процесса совмещены. Второй подход более сложен в практической реализации. Двухэтапная переработка, предусматривающая проведение пиролиза и каталитической переработки раздельно друг от друга, технически гораздо проще и доступнее, а кроме того, она контролируема с точки зрения получаемого продукта. Наш индустриальный партнер выбрал именно этот путь. Если в типичных лабораторных реакторах диаметр трубок чаще всего составляет около дюйма, а на промышленных нефтеперерабатывающих установках доходит до нескольких метров, то в ООО «Ониум плюс» решили пойти иначе. Чтобы дополнительно упростить процесс, каталитическую переработку проводят в тонких реакторах, наращивая производительность не за счет диаметра, а за счет их количества. В нашей лаборатории использовались трубки малого диаметра — от 2 мм до 1 см. Частицы катализатора должны быть соответствующего размера — от 0,2 до 1 мм. Наша основная задача заключалась в том, чтобы получить прочные частицы катализатора, которые не будут подвержены существенному истиранию, приводящему к накоплению нежелательной пыли в процессе переработки продуктов пиролиза пластиковых отходов, — рассказала сотрудник кафедры физической химии ФЕН НГУ, младший научный сотрудник Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, кандидат химических наук Екатерина Воробьева. 

Ученые предложили несколько способов приготовления катализаторов, в том числе обычное гранулирование, дробление экструдатов с отсевом фракции нужного размера и распылительную сушку. Была рассмотрена возможность использования порообразующих темплатов для создания более устойчивых к дезактивации катализаторов. Также отрабатывались способы нанесения активного компонента без риска разрушения фракции или изменения размеров частиц катализатора. Удалось решить и главную проблему — повысить прочность катализатора, который подвержен истиранию из-за малого диаметра и значительной протяженности трубчатого реактора.

Катализатор разработан для модельного сырья, представляющего собой смесь полиэтилена и полипропилена и предоставленного компанией «Ониум плюс». Теперь ученым предстоит адаптировать его для работы с реальным сырьем, также подготовленным и направленным в лабораторию индустриальным партнером. Это пиролизное масло, полученное из пластиковых отходов, взятых с городской свалки и подвергнутых термической обработке на многотоннажной промышленной установке пиролиза. По составу оно существенно отличается от модельного сырья, а потому разработанный ранее катализатор для реального сырья уже не подходит. Однако, отработав процесс на модельном сырье, ученые получили достаточно ясное представление о том, как наладить аналогичный процесс для реального сырья и какими должны быть для него катализаторы.

Разработать универсальный катализатор для переработки продуктов пиролиза пластиковых отходов невозможно. Состав, способы приготовления, условия испытаний и применения катализатора напрямую зависят от того, с каким именно сырьем нам предстоит работать и с какой конкретной целью мы используем данный процесс. Сырье меняется каждый раз в зависимости от установки, на которой вырабатывают пиролизное масло, а также от типа отходов и вида пластика, которые в нее загружаются. Учитываются и требования к конечному продукту в зависимости от его вида — это может быть и авиационный керосин, и топливная присадка. Без работы с модельным сырьем и проведения длительных непрерывных испытаний невозможно подобрать и произвести катализатор даже для самого простого «реального» сырья, — объяснила завкафедрой физической химии ФЕН НГУ, руководитель группы темплатного синтеза ИК СО РАН, кандидат химических наук Екатерина Пархомчук.

Взаимовыгодное сотрудничество ученых и представителей реального сектора экономики продолжится и на новом этапе исследований, направленных на подбор и создание нового катализатора. Начиная совместную работу более двух лет назад, компания «Ониум плюс» предоставила исследователям два реактора для каталитических испытаний. На них студенты выполняют исследования в рамках своих дипломных работ, пользуются этим оборудованием и аспиранты.

Мы рады, что удалось выстроить эффективное взаимодействие представителей реального сектора экономики с нашими учеными, студентами и аспирантами НГУ, которые объединили усилия, компетенции и знания, чтобы наладить такой технологически сложный и наукоемкий процесс, как каталитическая переработка продуктов пиролиза пластиковых отходов. Поскольку и сырье, и способы его переработки сильно разнятся от партии к партии и зависят от того, на каком реакторе осуществлялся процесс, необходимо будет оперативно реагировать на эти изменения, меняя состав катализатора. На крупном производстве сделать это очень затруднительно, а в условиях небольших лабораторий и пилотных производств под руководством научных сотрудников — вполне возможно. Поэтому разработанный нами катализатор будут производить в специально созданной для этого пилотной лаборатории, которую всем необходимым оборудованием обеспечит индустриальный партнер. Эта лаборатория будет создана в рамках строительства современного кампуса НГУ и располагаться в новом научно-исследовательском центре НГУ, — сказала Екатерина Пархомчук.