— 本期概况 —

新型高度分散的聚合物催化剂，用于由可再生原料生产液体燃料

Новые высокодисперсные полимерные катализаторы для производства жидкого топлива из возобновляемого сырья

☑成果属性：发明专利

☑技术领域：新材料

☑成熟度：研发

☑拟交易价格：面议

☑技术合作方式：合作开发

化石燃料储备的枯竭问题是现代社会的全球性问题之一。通常，生产液态汽车燃料的现有技术通常基于传统的炼油工艺（蒸馏，裂化，精馏，加氢处理）。这种方法导致这样的事实，即原油的绝大部分没有被完全利用，并且所得产品的特征在于高成本。目前正在开发或尝试使用可再生原料生产燃料的替代技术，因此，最终产品无法与商业燃料竞争。

大多数生物质加工工艺均基于精炼厂广泛使用的加氢处理技术。油加氢处理中使用的经典催化剂（磺化Co-Mo和Ni-Mo）也用于生物质加工。但是，使用这些催化剂与通过硫活化它们的需求有关。最初的工厂原料几乎不含硫，因此，与炼油工艺相比，工业催化剂的活性大大降低。当催化剂未就地活化时，最终产品（燃料）可能被硫污染，因此不再符合国际生物燃料标准的要求。另外，由于活性相的浸出和表面失活，工业催化剂易于丧失催化活性。考虑到列出的工业催化剂的缺点，研究人员对生产用于生物质加工的活性，稳定的无硫催化剂感兴趣。

进行生物质催化处理的优点之一是可以使用农业，木工和食品工业的废料作为原料。这使我们能够解决生物质燃料生产的两个主要问题-生产利润率低以及与土壤退化和主要废物造成的环境污染相关的环境风险的可能性。拟议项目的主要目标是开发一种环境友好且经济上合理的技术，用于合成稳定和活性高多孔性催化剂，以将生物质转化为液体燃料。

催化技术广泛用于各种行业：化学，食品工业，能源，木工，制药。在所有化学过程中，有70-80％使用催化剂。世界上大部分的催化剂用于加速化学物质的合成。近年来，对所谓的环境催化剂（惰性负载催化剂，贵金属催化剂等）的需求也不断增长。

亚太地区仍然是全球催化剂市场的领导者，占工业催化剂总需求的35％以上。由于强大的政府支持和环境标准，其他主要的催化剂制造商是北美和欧洲。催化剂的主要制造商目前是BASF SE（德国），Johnson Matthey（英国），Albemarle Corporation（美国），W.R。格雷斯（美国），中国石化有限公司（中国），埃克森美孚公司和荷兰皇家壳牌公司。在专门从事工业催化剂生产和销售的公司中，Haldor Topsoe和Johnson Matthey（生产各种类型的催化剂-环境，化学，聚合物催化剂和炼油行业的催化剂），以及私人公司Zeolyst International Inc.，Axens，PQ Corporation和Univation Technologie，它们专门生产一种催化剂。但是，尽管制造商数量众多，但催化剂市场上的领先国家中没有一个能够完全满足国内需求。

据专家称，俄罗斯联邦催化剂市场的规模大约为70亿卢布。而且，随着新工艺和新技术的出现，这个数字每年都在增加。在俄罗斯，许多过程仍然高度依赖催化剂的进口，这使得国内市场变得有趣，并且在商机方面很有前途。与其他高科技行业不同，由于产品开发的高昂成本，包括研发，测试和中试批次的生产，新的催化剂制造商很少出现在俄罗斯市场上。在当前条件下，科学组织参与俄罗斯联邦催化剂行业的发展是能够确保创造具有竞争力的家用催化剂的决定性因素。因此，催化剂领域的创新和科学发展及其在工业规模上的应用是俄罗斯催化工业发展的有希望的方向之一。

当前，消费者对催化剂有以下要求：长操作周期，高选择性，优化的活化过程，操作的稳定性和可靠性，易于再生，能耗低，在某些条件下（中温，高压，水，硫和硫）的效率。原材料等中的金属），易于加工和原材料的高度灵活性。

众所周知，固相的粒径减小到一定限度以下会导致它们的性质突然改变。就这一点而言，目前，人们对纳米级催化剂及其合成方法越来越感兴趣。使用高度多孔的结构化载体使得有可能获得尺寸为3-10nm的金属纳米颗粒，而载体的表面积没有显着降低，因此，催化剂的孔隙率保持很高。

硅和氧化铝，活性炭，碳纳米管和纳米纤维被用作载体。具有高表面积和高交联度的刚性聚合物网络作为载体的使用将允许合成具有3-5nm的活性相的粒径的催化剂。拟议项目所基于的研究表明，在将生物质（纤维素，植物油，木质素，木质纤维素原料）加工成液态汽车燃料的过程中，基于超交联聚苯乙烯聚合物基质的催化剂具有很高的效率。

所开发的催化剂的竞争优势是高表面积，活性相的高分散性，形成活性相所需的活性金属更少，所得催化剂的高活性，稳定性和选择性以及它们的高度再生。由于其独特的结构，所产生的催化剂可在生物质加工领域和精细有机合成领域中得到广泛应用。

Проблема истощения запасов ископаемого топлива является одной из глобальных проблем современного общества. Существующие технологии производства жидких моторных топлив базируются, как правило, на традиционных процессах нефтепереработки (перегонка, крекинг, ректификация, гидроочистка). Подобный подход приводит к тому, что значительная часть нефтяного сырья используется не в полной мере, а получаемый в итоге продукт характеризуется высокой себестоимостью. Попытки создания альтернативных технологий производства топлив из возобновляемого сырья, в данный момент находятся на стадии разработки или пилотных проектов, а, следовательно, итоговый продукт не может конкурировать с коммерческим топливом.

Большинство процессов переработки биомассы основано на технологиях гидроочистки, широко применяющихся на нефтеперерабатывающих предприятиях. Классические катализаторы (сульфированные Co-Mo и Ni-Mo), используемые в гидроочистке нефти, так же применяются и для переработки биомассы. Однако, использование этих катализаторов сопряжено с необходимостью их активации серой. Исходное растительное сырье практически не содержит серу, поэтому активность промышленных катализаторов значительно снижается по сравнению с процессами нефтепереработки. При активации катализаторов не в условиях in situ, конечный продукт (топливо) может загрязняться серой, а, соответственно, уже не удовлетворяет требованиям международных стандартов в отношении биотоплива. Кроме того промышленные катализаторы склонны к потере каталитической активности в связи с вымыванием активной фазы и дезактивацией поверхности. Принимая во внимание перечисленные недостатки промышленных катализаторов, интерес исследователей направлен на создание активных, стабильных серо-несодержащих катализаторов для переработки биомассы.

Одним из преимуществ проведения процессов каталитической переработки биомассы является возможность использования в качестве сырья отходов сельскохозяйственной, деревообрабатывающей и пищевой промышленности. Это позволяет решить две основные проблемы производства топлив-из-биомассы – низкую рентабельность производства и вероятность экологического риска, связанную с вырождением почв и загрязнением окружающей среды отходами первичной переработки. Основной целью предлагаемого проекта является разработка экологичной и экономически обоснованной технологии синтеза стабильных и активных высокопористых катализаторов для переработки биомассы в жидкие топлива.

Каталитические технологии широко применяются в разных отраслях: химической, пищевой промышленности, энергетике, деревообработке, фармацевтике. Катализаторы применяются в 70-80% всех химических процессов. Основной объем производимых в мире катализаторов используется для ускорения процессов синтеза химических веществ. В последние годы также растет потребность в так называемых экологических катализаторах (катализаторах на инертных носителях, катализаторах, содержащих благородные металлы и т.д.).

Лидером мирового рынка катализаторов остается Азиатско-Тихоокеанский регион, чья доля составляет более 35% от общего спроса на промышленные катализаторы. Другими крупными производителями катализаторов являются страны Северной Америки и Европы в связи с активной государственной поддержкой и введением экологических стандартов. Ключевыми производителями катализаторов в настоящее время являются такие фирмы, как BASF SE (Германия), Johnson Matthey (Великобритания), Albemarle Corporation (США), W.R. Grace (США), Sinopec Limited (Китай), Exxon Mobil Corporation и Royal Dutch Shell. Среди компаний, которые специализируются исключительно на производстве и продаже промышленных катализаторов, выделяют Haldor Topsoe и Johnson Matthey (производство всех видов катализаторов – экологические, химические, полимерные катализаторы и катализаторы для нефтеперерабатывающей промышленности), а также частные компании Zeolyst International Inc., Axens, PQ Corporation и Univation Technologie, которые специализируются на выпуске только одного вида катализаторов. Однако, несмотря на достаточно большое количество производителей, ни одна из стран-лидеров рынка катализаторов не покрывает полностью внутренние потребности.

По оценкам экспертов объем рынка катализаторов в Российской Федерации приблизительно оценивается в 7000 млн. рублей. Причем, эта цифра ежегодно возрастает в связи с появлением новых процессов и технологий. В России сохраняется высокая степень зависимости от импорта катализаторов для целого ряда процессов, что делает отечественный рынок интересным и перспективным в плане бизнес-возможностей. В отличие от других высокотехнологичных отраслей промышленности, новые производители катализаторов на российском рынке появляются довольно редко, что связано с высокими затратами на разработку продукции, включая научно-исследовательскую деятельность, тестирование и выпуск опытных партий. В сложившихся условиях участие научных организаций в развитии катализаторной отрасли Российской Федерации является решающим фактором, способным обеспечить создание конкурентоспособных отечественных катализаторов. Поэтому инновации и научные разработки в сфере катализаторов и их реализация в промышленном масштабе являются одним из перспективных направлений развития каталитической отрасли в России.

В настоящее время потребители предъявляют следующие требования к катализаторам: длительный цикл работы, высокая селективность, оптимизированный процесс активации, стабильность и надежность в эксплуатации, простота регенерации, низкое потребление энергоносителей, эффективность при определенных условиях (умеренные температуры, высокое давление, наличие воды, серы и металлов в сырье и т.д.), простота переработки и высокая гибкость по сырью.

Как известно, уменьшение размера частиц твердой фазы ниже некоторого предела приводит к скачкообразному изменению их свойств. В связи с этим, в настоящее время, возрастает интерес к наноразмерным катализаторам и методам их синтеза. Использование  высокопористых структурированных носителей позволяет получать металлические наночастицы с размером 3-10 нм, при этом не наблюдается значительного уменьшения площади поверхности носителя, следовательно, пористость катализатора остается довольно высокой.

В качестве носителей используют оксиды кремния и алюминия, активированный уголь, углеродные нанотрубки и нановолокна. Использование в качестве носителей жестких полимерных сеток с высокой площадью поверхности и высокой степенью сшивки позволит синтезировать катализаторы с размером частиц активной фазы 3-5 нм. Исследования, на которых базируется предлагаемый проект, показали высокую эффективность катализаторов на основе полимерной матрицы сверхсшитого полистирола в процессах переработки биомассы (целлюлозы, растительных масел, лигнина, лигноцеллюлозного сырья) в жидкие моторные топлива.

Конкурентными преимуществами разрабатываемых катализаторов являются высокая площадь поверхности, высокая дисперсность активной фазы, меньшее количество активного металла, требуемого на формирование активной фазы, высокая активность, стабильность и селективность получаемых катализаторов, а также высокая степень их регенерируемости. Создаваемые катализаторы за счет своей уникальной структуры могут найти широкое применение как в области переработки биомассы, так и в тонком органическом синтезе.