Превращение древесных и сельскохозяйственных отходов в графит

Мягкий темно-серый графит полезен не только в карандашах: этот высокопроводящий и термостойкий минерал идеально подходит для передового производства. Однако Соединенные Штаты импортируют почти половину графита, необходимого им для ковки стали, производства батарей и производственного оборудования, из Китая, который в настоящее время поставляет большую часть мирового графита. Но что если бы Соединенные Штаты могли производить этот графит внутри страны — из отходов, которые мы обычно выбрасываем на свалку или сжигаем?

Цель исследования, опубликованного в журнале ChemSusChem Национальной лабораторией Скалистых гор (NLR) и Университетом штата Северная Каролина (NCSU), заключается в следующем. Исследовательская группа продемонстрировала, что с помощью обычного оборудования для переработки биомассы, такой как отходы лесного и сельскохозяйственного производства, можно превратить её в высококачественный биографит: другими словами, практически идентичный импортному графиту, востребованному производителями аккумуляторов и автомобилей.

Открытие произошло, когда исследовательская группа попыталась превратить масло, получаемое при нагревании биомассы, в реактивное топливо. Обычно это масло трудно переработать в топливо: содержащиеся в нем реакционноспособные соединения образуют твердое покрытие на катализаторах, используемых для его переработки. Но исследовательская группа поняла, что они могут целенаправленно перерабатывать эти твердые материалы в графит, превращая эти «вредные вещества» в еще более ценный продукт. После образования графита в результате процесса все еще получается масло, которое можно переработать в реактивное топливо и бензин.

Затем команда сделала второе открытие: исследователям удалось осуществить превращение биомассы в графит при гораздо более низкой температуре — 1500 °C вместо традиционных 3000 °C — что позволило значительно сэкономить средства и энергию.

«Новизна этого исследования заключается в том, что мы показали два жизнеспособных пути производства отечественного графита и топлива в рамках одного и того же процесса», — сказала Кэрри Фарбероу, инженер-химик из NLR, специализирующаяся на биоэкономике и являющаяся руководителем группы в программе каталитической трансформации углерода в лаборатории. «Один из них позволяет нам превращать отходы в графит аккумуляторного качества, а другой обеспечивает значительную экономию энергии и средств при производстве биографита».

Согласно прогнозам, к 2028 году мировой спрос на графит вырастет на 70% из-за резкого увеличения производства аккумуляторов и стали во всем мире. Совместные исследования NLR и NCSU могут помочь американским производителям нарастить производство графита в подходящий момент.

Вариант 1: Замена импортного графита отечественным производством.

В Соединенных Штатах, где добыча графита прекратилась в 1950-х годах, любое внутреннее производство графита начинается с нефти.

После извлечения ценных компонентов из сырой нефти нефтеперерабатывающие заводы нагревают смолистый остаток до 500°C в установке, называемой коксовальным аппаратом замедленного коксования, которая отжимает последние остатки топлива из смолы. Побочным продуктом является твердое вещество, называемое коксом. Затем кокс подвергается кальцинированию, или нагреву до температуры около 1000°C, и, наконец, превращается в графит путем нагревания до 3000°C — почти 5500°F. Для сравнения, это более половины температуры поверхности Солнца.

Используя то же оборудование, производственный процесс биографита компании NLR демонстрирует потенциал для увеличения внутреннего производства графита в США с использованием отходов биомассы, таких как лесные отходы, собранные для предотвращения лесных пожаров.

В основе этого процесса лежит технология, называемая быстрым пиролизом, при которой органические материалы, такие как биомасса, нагреваются до 500°C в бескислородном реакторе, а затем быстро охлаждаются для получения промежуточного масла. Это биомасло, называемое «маслом быстрого пиролиза», может быть переработано в ценные виды топлива и химические вещества. Оно также может стать основой для производства биографита американского производства с использованием установок замедленного коксования, которые уже имеются на нефтеперерабатывающих заводах.

«В ходе нашего исследования мы смоделировали процесс замедленного коксования пиролизного масла , полученного из биомассы», — сказал Стивен Роуленд, бывший научный сотрудник NLR и ключевой участник проекта. «Мы увидели потенциал для существующих нефтеперерабатывающих заводов в переработке обильной отечественной биомассы, которую мы уже собираем, и ее преобразовании в высокоценные углеродные материалы, такие как графит».

Проще говоря, производство биографита в NLR оптимизировано для работы с традиционным оборудованием нефтеперерабатывающих заводов. Производители могут использовать нефть «в чистом виде» или смешивать ее с нефтепродуктами. Это позволяет им производить больше высококачественного графита из имеющегося сырья, увеличивая объемы внутреннего производства графита.

Вариант 2: Производство при более низкой температуре и с меньшими затратами.

Помимо получения биографита с помощью традиционного промышленного процесса, исследователи из NLR и NCSU разработали также второй способ: получение графита из пиролизного масла при температуре вдвое ниже типичной, используя железо в качестве катализатора. Это исследование описано в статье, опубликованной в журнале Energy & Fuels в 2025 году .

Вместо нагревания богатого углеродом биококса до 3000°C, для чего требуются печи из графита — одного из немногих материалов в мире, способных выдерживать такие температуры, — исследовательская группа разработала метод, позволяющий производителям каталитически преобразовывать кокс в синтетический графит при температурах от 1000°C до 1500°C.

Более низкая температура значительно снижает энергозатраты на синтез графита, который обычно является одним из самых дорогостоящих этапов производства. Это также означает, что производители могут использовать более дешевые материалы для строительства и нагрева промышленных печей, используемых для производства графита.

Хотя для удаления железного катализатора необходимо предпринять определенные шаги, такие как кислотная промывка, этот процесс позволяет получить значительно больше продукта. Технико-экономический анализ, опубликованный в журнале Bioresource Technology, показывает, что он может быть финансово жизнеспособным.

Более экономичный и энергоэффективный путь к производству графита может стать хорошей новостью для американской энергосистемы. Поскольку графит образуется из упорядоченных стопок углеродных листов, способных эффективно накапливать ионы лития, он является идеальным материалом для анода — или отрицательно заряженной — стороны литий-ионной батареи. Эти батареи являются основным выбором для интегрированных в энергосистемы систем, которые накапливают энергию для последующего использования, обеспечивая надежность нашей энергосети в случае перебоев или стихийных бедствий.

«Разработанные нами два метода графитизации позволили нам продемонстрировать от начала до конца, как преобразовать биомассу в перезаряжаемые литий-ионные батареи», — сказал Бертран Тремоле де Виллер, старший научный сотрудник NLR по химии батарей. «Затем мы можем охарактеризовать и проверить эти батареи в лаборатории, чтобы убедиться в их безопасности и высокой производительности».

«Мы очень рады возможности использовать эти батареи, которые, как мы показали, могут быть изготовлены со значительной экономией средств и энергии, для поддержки электросети Соединенных Штатов», — сказал он.

Превращение отходов в богатство

Подобно тому, как катализаторы могут ускорять химические реакции, производство биографита в США может получить импульс из неожиданного источника: отходов. Отходы древесины, заготавливаемые в лесах для предотвращения лесных пожаров, промышленные отходы электростанций и даже городские сточные воды могут превратиться в графит, используемый в производстве аккумуляторов и стали в США.

«Министерство энергетики сообщило, что США могут производить более миллиарда тонн биомассы ежегодно в дополнение к тому, что мы сейчас экспортируем. Большая часть этой биомассы пригодна для пиролиза и последующей графитизации, и, по самым скромным подсчетам, из нее можно получать 100 миллионов тонн графита аккумуляторного качества в год», — сказал Роуленд. «Если производители хотят увеличить производство графита, существует множество видов биосырья, которые могут удовлетворить спрос».

Соответственно, исследовательская работа в лаборатории ускоряется. Для масштабирования производства биографита лаборатория строит пилотную установку замедленного коксования, которая сможет перерабатывать большие объемы пиролизного масла в графит и реактивное топливо. Пилотная установка коксования поможет показать, что производители могут безопасно и эффективно производить биографит, используя существующую инфраструктуру. Полученный графит будет использоваться в крупноформатных литий-ионных батареях — обычно применяемых для крупномасштабного хранения энергии в энергосистемах — которые будут протестированы в реальных условиях для подтверждения их эффективности.

«Эти процессы действительно обладают потенциалом для масштабирования, чтобы удовлетворить наши будущие потребности в графите», — сказал Фарбероу. «При определенных инвестициях в производственные мощности американская обрабатывающая промышленность могла бы получить необходимый импульс».

Источник: https://techxplore.com/news/2026-03-biomass-graphite-critical-mineral.html