Ученые НГУ создали катализатор для получения керосиновых и дизельных фракций из продуктов пиролиза смешанных пластиковых отходов

Коллектив кафедры физической химии факультета естественных наук Новосибирского государственного университета и Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН получил патент на способ приготовления катализатора для переработки пиролизного масла из смешанных пластиковых отходов. Индустриальным партнером проекта выступает ООО «Ониум плюс».

Чем пиролизное масло отличается от нефтяного сырья

Пиролизное масло содержит повышенное количество непредельных и ароматических углеводородов. Поэтому катализаторы, применяемые в нефтепереработке, не всегда подходят для такого сырья: компоненты сложной смеси по-разному ведут себя в ходе переработки.

Перед исследователями стояли три задачи. Катализатор должен обеспечивать гидрирование непредельных углеводородов, улучшать низкотемпературные свойства топлива за счет изомеризации и при этом не приводить к значительному изменению фракционного состава. Последнее важно, поскольку пиролизное масло уже находится в диапазоне температур кипения, характерном для керосиновых и дизельных фракций.

«Мы разработали группу катализаторов, которые можно подбирать с учетом состава конкретного пиролизного масла и требований к конечному продукту», — пояснил ассистент кафедры физической химии ФЕН НГУ, аспирант НГУ и младший научный сотрудник Института катализа СО РАН Всеволод Вдовиченко.

Почему выбрали цеолит ZSM-23

Катализатор включает гидрирующий металлический компонент и цеолит, отвечающий за изомеризацию. Ученые испытали материалы с трехмерной и одномерной структурой каналов. Наиболее подходящие результаты показал одномерный цеолит ZSM-23: он позволил заметно улучшить низкотемпературные свойства получаемых фракций.

По отдельным параметрам лабораторные образцы приблизились к требованиям стандарта на авиационное топливо Jet A-1, а по некоторым — превысили их. Это не означает, что полученный продукт уже может использоваться как сертифицированное авиационное топливо: исследователи оценивали отдельные характеристики.

Патент получен на способ приготовления композитных катализаторов, содержащих оксид алюминия и цеолит. Заявка на состав катализаторов и их применение для переработки продуктов пиролиза пластиковых отходов пока находится на рассмотрении.

Катализатор для тонких трубчатых реакторов

Пластиковые отходы можно перерабатывать по двум основным схемам: проводить пиролиз и последующую каталитическую обработку раздельно либо совмещать процессы в установке с каталитическим слоем. ООО «Ониум плюс» выбрало двухэтапную схему, которая позволяет отдельно контролировать пиролиз и характеристики конечного продукта.

Для каталитической переработки партнер проекта использует тонкие трубчатые реакторы, увеличивая производительность за счет их количества, а не диаметра. В лаборатории применялись трубки диаметром от 2 мм до 1 см и частицы катализатора размером от 0,2 до 1 мм.

При такой конфигурации особенно важна механическая прочность материала. В длинном трубчатом реакторе мелкие частицы истираются, из-за чего накапливается пыль. Исследователям удалось подобрать и запатентовать способ повышения прочности катализатора.

«Основная задача заключалась в том, чтобы получить прочные частицы, не подверженные существенному истиранию», — рассказала сотрудник кафедры физической химии ФЕН НГУ, младший научный сотрудник Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, кандидат химических наук Екатерина Воробьева.

Ученые рассмотрели несколько способов приготовления материала: гранулирование, дробление экструдатов с отсевом фракции нужного размера и распылительную сушку. Также они изучили применение порообразующих темплатов для повышения устойчивости к дезактивации и отработали нанесение активного компонента без разрушения частиц и изменения их размера.

От модельной смеси — к реальным отходам

Катализатор разрабатывали на модельном сырье — смеси полиэтилена и полипропилена, предоставленной ООО «Ониум плюс». Теперь его предстоит адаптировать к пиролизному маслу из пластиковых отходов с городской свалки. Это сырье прошло термическую обработку на многотоннажной промышленной пиролизной установке и заметно отличается по составу от модельной смеси.

Разработанный ранее вариант катализатора для нового сырья не подходит. Однако лабораторные испытания позволили определить основные параметры процесса и подходы к подбору состава.

По словам заведующей кафедрой физической химии ФЕН НГУ и руководителя группы темплатного синтеза Института катализа СО РАН Екатерины Пархомчук, универсальный катализатор для всех продуктов пиролиза пластиковых отходов создать невозможно. Его состав, способ приготовления и режим работы зависят от типа пластика, характеристик отходов, конструкции пиролизной установки и требований к конечному продукту — например, керосиновой фракции или топливной присадке.

Для подбора катализатора необходимы работа с модельным сырьем и длительные непрерывные испытания. При изменении состава пиролизного масла параметры материала также придется корректировать.

Следующий этап проекта

Сотрудничество НГУ, Института катализа СО РАН и ООО «Ониум плюс» продолжается более двух лет. Компания предоставила исследователям два реактора для каталитических испытаний, которые используют студенты и аспиранты.

Катализаторы планируют выпускать в специализированной пилотной лаборатории. Индустриальный партнер должен обеспечить ее необходимым оборудованием. Лабораторию предполагается разместить в новом научно-исследовательском центре, создаваемом в рамках строительства кампуса НГУ.

Фото: пресс-служба НГУ