Ультразвук и микрокапли превращают бумажные отходы в химические соединения более высокой ценности

При мировом производстве целлюлозы и бумаги ежегодно образуется более 50 млн тонн крафт-лигнина. Этот сложный органический полимер получают из черного щелока, остающегося после варки целлюлозы. Более 90% крафт-лигнина сжигают на предприятиях для регенерации химических реагентов и выработки энергии.

Исследовательская группа под руководством профессора химии Хоакина Родригеса-Лопеса и аспирантки Суприи Дас предложила другой вариант использования этого побочного продукта — получение потенциально более ценных возобновляемых химических соединений.

Расщепление лигнина за 20 минут

Переработка крафт-лигнина осложнена его структурой и прочными химическими связями. Термохимические и электрохимические методы часто требуют жестких условий и не всегда обеспечивают высокую конверсию.

Новый метод использует ультразвуковую обработку, которая создает в жидкости микрокапли воды. За 20 минут при комнатной температуре они расщепляют крафт-лигнин без добавления катализаторов. По данным исследователей, степень конверсии составила около 56%.

В ходе реакции темно-красный порошок крафт-лигнина превращается в оранжевое порошкообразное соединение. Полученная молекула обладает окислительно-восстановительной активностью и реагирует на изменение pH.

Соединение назвали SEMILL-A. Название связано с термином Sonicated Emulsive Microdroplet и местом проведения исследования — штатом Иллинойс.

Как работают водные микрокапли

Химические реакции в микрокаплях могут идти быстрее, чем в объемных растворах. Кроме того, такие капли способны без внешних катализаторов образовывать активные формы кислорода, включая перекись водорода.

В разработанном процессе высокочастотные звуковые волны перемешивают частицы в жидкости и формируют сонированные эмульгированные водные микрокапли — SEWM. Реакция проходит в небольшом контейнере с использованием масла, воды, лигнина и кислоты. Высокие температуры и дорогостоящие катализаторы из редкоземельных металлов не требуются.

В результате крафт-лигнин распадается на более мелкую молекулу, в которой появляются новые функциональные группы. Они придают соединению редокс-активность и чувствительность к pH.

Как подтвердили структуру соединения

Для изучения SEMILL-A авторы работы привлекли исследователей из Университета Иллинойса Джеффри Мура и Джонатана Свидлера, а также профессора Принстонского университета Чарльза Шредера.

Команда применила оптическую микроскопию, инфракрасную спектроскопию, одномерную и двумерную спектроскопию ядерного магнитного резонанса, масс-спектрометрию высокого разрешения, хроматографический и электрохимический анализ. Специалисты Аргоннской национальной лаборатории выполнили моделирование молекулярных структур SEMILL-A.

Исследователи подтвердили, что микрокапли SEWM способствуют разрыву связей и нитрованию как крафт-лигнина, так и модельного соединения.

Возможное применение и дальнейшие исследования

SEMILL-A способна принимать и отдавать электроны — это свойство важно для систем накопления энергии. Авторы рассматривают возможность применения подобных соединений, в частности, в проточных редокс-батареях, но пока не утверждают, что именно SEMILL-A подойдет для этой задачи.

Следующий этап работы — выяснить механизм деконструкции лигнина и нитрования молекулы, а также определить, как условия реакции влияют на состав конечного продукта. Исследователи также намерены проверить метод на других биополимерах и пластиках.