Ученые ФИЦ «Институт катализа СО РАН» ищут эффективные катализаторы и оптимальные условия для переработки пиролизной жидкости из коммунальных иловых осадков. Эту жидкость рассматривают как перспективное сырье для производства топлив и химической промышленности. Переработка позволяет приблизить состав пиролизной жидкости к нефти, что дает возможность ее внедрения на нефтеперерабатывающие предприятия. На текущем этапе содержание азота в продукте получилось снизить вдвоеexternal link, opens in a new tab, а кислорода — в семь раз, серу удалось удалить практически полностью.
Ежегодно в мире муниципальные очистные сооружения производят, по некоторым оценкамexternal link, opens in a new tab, 100 млн тонн иловых осадков, которые образуются после очистки сточных вод, и такие объемы — большая проблема для городов. Во-первых, для захоронения отходов требуются огромные площади, и срок их эксплуатации должен составлять 100–150 лет. Во-вторых, иловые осадки могут содержать токсичные металлы, например, свинец и кадмий, которые при захоронении вымываются в грунтовые воды и попадают в воздух вместе с пылью. Также в осадках присутствуют патогенные микроорганизмы.
Среди основных подходов к утилизации иловых осадков выделяют сжигание. Но при этом способе в воздух выбрасываются загрязняющие атмосферу соединения, и для очистки дымовых газов нужны дополнительные меры. Другой экономически целесообразный вариант утилизации иловых осадков — быстрый пиролиз с последующим получением полезных продуктов. В этом случае отходы нагревают с высокой скоростью без доступа кислорода, в результате чего образуется пиролизная жидкость. Сейчас ученые исследуют ее как возможное сырье для получения топлив или компонентов для химической промышленности, допустим, для синтеза органических растворителей и реагентов. Еще один плюс быстрого пиролиза — тяжелые металлы в процессе уходят в твердый кокс, что значительно снижает негативное воздействие на окружающую среду.
Если рассматривать производственную цепочку, то перед отправкой пиролизной жидкости для переработки на нефтеперерабатывающее предприятие необходима ее предварительная гидрообработка.
«В первую очередь от ископаемой нефти ее отличает наличие большого количества кислорода и азота, в том числе в составе органических кислот, азотсодержащих соединений — гетероциклов, нитрилов, нитридов, а по аналогии с нефтью в составе также присутствуют сераорганические соединения. Из-за этого ее сложно использовать в качестве топлива для прямого сжигания. Чтобы приблизить ее состав к нефти, особенно важно удалить азот и кислород. Для этого мы и ищем системы, которые будут предельно стабильны в условиях гидрообработки, так как некоторые соединения буквально "убивают" катализаторы», — говорит старший научный сотрудник Инжинирингового центра Института катализа СО РАН к.х.н. Роман Кукушкин.
Ученые синтезировали и исследовали катализаторы, сходные с теми, которые используют для переработки нефтепродуктов, а также смоделировали разные условия процессов.
«Мы провели цикл исследований, в которых работали и с модельными смесями, и непосредственно с пиролизной жидкостью. Отправной точкой послужили катализаторы, близкие по природе к катализаторам гидроочистки ископаемого нефтяного сырья, — никель-молибденовые системы. Отдельно мы изучали гидротермальную стабильность катализатора при использовании модельной смеси в условиях реальной гидрообработки. Мы показали, что сульфидные по своей природе катализаторы, такие как NiMo-, наилучшим образом подходят для такого типа процессов, в особенности при температуре 400 °C. В целом можно сказать, что использование таких катализаторов значительно снижает содержание нежелательных элементов: кислорода — почти в семь раз, азота — в два раза, сера уходит практически полностью. Обработка водородом с использованием катализатора на основе никеля и молибдена позволяет увеличить выход фракции с температурой кипения 200–360 °C, что важно для получения топлив», — рассказывает ключевой автор исследования, научный сотрудник Инжинирингового центра ФИЦ «ИК СО РАН» к.х.н. Мария Алексеева.
По словам ученого, исследований по каталитической гидроконверсии пиролизной жидкости немного, и в них не рассматривается фактор влияния на процесс гидрообработки различных кислород-, азот-, а также серосодержащих соединений. Исследователи продолжат варьировать и изучать условия гидрообработки, в частности, с промежуточным разделением фракций, чтобы повысить степень переработки данного сырья.