Группа исследователей во главе с Миннесотским университетом изобрела новую технологию производства автомобильных шин из деревьев и травы в процессе, который может переориентировать производство шин на использование возобновляемых ресурсов, которые можно найти прямо у нас на заднем дворе.
Обычные автомобильные шины считаются неблагоприятными для окружающей среды, поскольку они в основном изготавливаются из ископаемого топлива. Автомобильные шины, произведенные из биомассы, включающей деревья и траву, будут идентичны существующим автомобильным шинам с тем же химическим составом, цветом, формой и характеристиками.
Эта технология была запатентована Университетом Миннесоты и доступна для лицензирования через Управление коммерциализации технологий Университета Миннесоты.
Новое исследование опубликовано ACS Catalysis Американского химического общества, ведущим журналом в области химических наук и катализа. В число авторов исследования входят исследователи из Миннесотского университета, Массачусетского университета в Амхерсте и Центра устойчивых полимеров, финансируемого Национальным научным фондом в Университете Миннесоты.
«Наша команда разработала новый химический процесс для получения изопрена, ключевой молекулы автомобильных шин, из таких природных продуктов, как деревья, травы или кукуруза», - сказал Пол Дауэнхауэр, доцент Миннесотского университета химического машиностроения и материаловедение и ведущий научный сотрудник исследования. «Это исследование может оказать большое влияние на многомиллиардную индустрию автомобильных шин."
«Сотрудничество было действительно ключом к этому исследованию, в ходе которого биомасса прошла путь от изопрена», - сказала Кэрол Бессель, заместитель директора химического отдела Национального научного фонда (NSF), который финансирует Центр устойчивых полимеров.. «Это сотрудничество и синергия между исследователями с разными подходами и навыками - это действительно то, что мы пытаемся продвигать в рамках программы NSF Centers for Chemical Innovation».
В настоящее время изопрен производится путем термического разделения молекул нефти, которые аналогичны бензину, в процессе, называемом «крекинг». Затем изопрен отделяют от сотен продуктов и очищают. На заключительном этапе изопрен вступает в реакцию сам с собой, образуя длинные цепи, образуя твердый полимер, который является основным компонентом автомобильных шин.
Изопрен, полученный из биомассы, был крупной инициативой шинных компаний в течение последнего десятилетия, при этом большая часть усилий была сосредоточена на технологии ферментации (по аналогии с производством этанола). Однако оказалось, что молекулу возобновляемого изопрена сложно получить из микробов, и попытки получить его с помощью полностью биологического процесса не увенчались успехом.
Исследователи из Центра устойчивых полимеров, финансируемые NSF, сосредоточились на новом процессе, который начинается с сахаров, полученных из биомассы, включая травы, деревья и кукурузу. Они обнаружили, что трехстадийный процесс оптимизируется, когда он «гибридизирован», то есть сочетает биологическую ферментацию с использованием микробов с обычной каталитической очисткой, аналогичной технологии нефтепереработки..
Первой стадией нового процесса является микробная ферментация сахаров, таких как глюкоза, полученная из биомассы, в промежуточный продукт, называемый итаконовой кислотой. На втором этапе итаконовая кислота реагирует с водородом с образованием химического вещества, называемого метил-ТГФ (тетрагидрофуран). Этот шаг был оптимизирован, когда исследовательская группа определила уникальную комбинацию металла и металла, которая служила высокоэффективным катализатором.
Прорыв в технологическом процессе произошел на третьем этапе дегидратации метил-ТГФ до изопрена. Используя недавно обнаруженный в Университете Миннесоты катализатор под названием P-SPP (Phosphoros Self-Pillared Pentasil), команда смогла продемонстрировать каталитическую эффективность до 90 процентов, при этом большая часть каталитического продукта представляет собой изопрен. Объединив все три этапа в один процесс, изопрен можно получать из биомассы возобновляемыми источниками.
«Эффективность новых P-содержащих цеолитных катализаторов, таких как S-PPP, была неожиданной», - говорит Дауэнхауэр. «Этот новый класс твердокислотных катализаторов демонстрирует значительно улучшенную каталитическую эффективность и является причиной того, что возобновляемый изопрен становится возможным».
«Изопрен, получаемый из биоресурсов с экономической точки зрения, имеет потенциал для расширения внутреннего производства автомобильных шин за счет использования возобновляемых, легкодоступных ресурсов вместо ископаемого топлива», - сказал Фрэнк Бейтс, эксперт по полимерам и профессор химического машиностроения Университета Миннесоты Риджентс. и материаловедение.«Это открытие может также повлиять на многие другие технологически продвинутые продукты на основе каучука».
Помимо профессора Дауэнхауэра, исследователями, которые принимали участие в исследовании из Миннесотского университета, были профессора Майкл Цапатсис и Кечун Чжан, постдокторские исследователи Омар Абдельрахман, Дэ Сунг Пак, Чарльз Спанджерс и Лимин Рен, а также нынешняя студентка Кэтрин. Винтер. Профессор Массачусетского университета в Амхерсте Вэй Фан и студентка Хонг Дже Чо также были частью исследовательской группы.
Чтобы прочитать полный исследовательский документ под названием «Возобновляемый изопрен путем последовательного гидрирования итаконовой кислоты и дегидра-дециклизации 3-метил-тетрагидрофурана», посетите веб-сайт ACS Catalysis.
Изобретение технологии возобновляемых шин является частью более широкой миссии Центра устойчивых полимеров, Центра химических инноваций, финансируемого NSF, возглавляемого Университетом Миннесоты. Инициированная в 2009 году, программа CSP направлена на преобразование способов производства и переработки пластмасс с помощью инновационных исследований. Исследователи стремятся разработать, подготовить и внедрить полимеры, полученные из возобновляемых ресурсов, для широкого спектра передовых приложений.