Znak Politechniki Warszawskiej

Lignina ropą przyszłości, czyli współczesna alchemia

– Nie patrzymy na odpad jak na problem, lecz rozwiązanie – podkreśla prof. dr hab. Juan Carlos Colmenares z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. W obliczu ogromnych ilości zanieczyszczeń, a także wyczerpywania się tradycyjnych źródeł energii takie podejście wydaje się być panaceum na te problemy. Czy produkcja paliwa z ligniny jest możliwa?

dr hab. inż. Juan Carlos Colmenares, prof. IChF PAN, fot. BPI

dr hab. inż. Juan Carlos Colmenares, prof. IChF PAN, fot. BPI

Zespół badaczy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, na czele z prof. dr. hab. Juanem Carlosem Colmenaresem, we współpracy z Politechniką Warszawską i Uniwersytetem w Kordobie pracuje nad fotokatalizatorem, który pozwoli na przekształcanie ligniny w wartościowe związki, m.in. właśnie w paliwo czy produkty do syntezy leków oraz produkcji perfum.

Paliwo leży na ziemi

Lignina to czarna, mazista ciecz o bardzo nieprzyjemnym zapachu. W przyrodzie występuje przede wszystkim w drewnie, w którym pełni rolę wzmacniacza. Jest głównym produktem ubocznym w przemyśle papierniczym. Obecnie jedyny powszechny sposób wykorzystania ligniny to jej spalanie jako niskowartościowego paliwa.

Lignina jest naturalnym polimerem o bardzo skomplikowanej strukturze trójwymiarowej, zbudowanym m.in. z wielu pochodnych związków aromatycznych, w tym z różnych alkoholi fenylowych. W zależności od gatunku drzewa, różni się skład chemiczny oraz jej zawartość procentowa w drewnie (zwykle wynosi od 10 do 40 proc.).

Światowe zasoby ligniny wynoszą obecnie 300 mld ton (co roku przybywa jej 20 mld t) i przerastają nawet zasoby ropy naftowej (ok. 230 mld t). To chemiczne bogactwo nie jest jednak w pełni wykorzystywane. Być może to właśnie badania prowadzone pod kierownictwem prof. Juana Carlosa Colmenaresa pozwolą opracować technologię, która na to pozwoli.

Inteligentne fotokatalizatory

Przekształcenie ligniny w konkretny związek chemiczny, nadający się do dalszego przetwarzania nie jest proste z kilku powodów.

Skład chemiczny ligniny różni się nie tylko w zależności od gatunku rośliny z której pochodzi, ale również kraju i warunków, w jakich ta roślina rosła. Dlatego tak trudno opracować technologię, która byłaby uniwersalna dla każdego typu ligniny. Jest to właściwie niemożliwe. Dlatego pierwszym etapem jest szczegółowa charakterystyka danego rodzaju ligniny.

Po wyborze modelowego związku, który reprezentuje skomplikowane struktury ligniny, naukowcy sprawdzali, w jaki sposób wpływają na nią wybrane przez nich fotokatalizatory. Na tym etapie pomocni byli pracownicy Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, kierowani przez prof. dr. hab. Krzysztofa Kurzydłowskiego. Przy pomocy zaawansowanych technik badawczych dokonali oni szczegółowej charakteryzacji parametrów fizykochemicznych nowych fotokatalizatorów.

Przy użyciu nowoczesnych urządzeń badawczych, takich jak wysokorozdzielczy skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy (STEM), który umożliwia obserwację struktury atomowej badanych materiałów, naukowcy z Politechniki Warszawskiej wykonali obserwację złożonej struktury fotokatalizatorów. Uzyskane wyniki badań, w tym również analiza składu chemicznego, umożliwiły określenie wielkości nanocząstek oraz ich składu fazowego. Wzajemne relacje występujące w strukturze badanych materiałów wpływają na właściwości katalityczne. Dlatego ten etap badań miał istotny wpływ na dalsze prace badawcze.

Kluczowe w tym procesie jest to, aby fotokatalizator nie rozkładał zupełnie ligniny, lecz skracał jej łańcuchy do takich, na jakich zależy naukowcom. Fotokatalizatory mają być niemal zaprogramowane do wytwarzania konkretnych związków. – Chcemy dawać materiałom inteligencję i świadomość – podkreśla prof. Colmenares.

Nowe fotokatalizatory pomogli opracować naukowcy z Uniwersytetu w Kordobie, kierowani przez prof. Rafaela Luque'a. W przekształcaniu ligniny w wartościowe półprodukty ma pomóc dwutlenek tytanu TiO2. Musi on być osadzony na odpowiednim podłożu. W jednym przypadku są to nanokompozyty, zawierające tlenek żelaza Fe2O3, w drugim – zeolity (glinokrzemiany) z niewielkim dodatkiem żelaza.

Lignina to czarna, mazista ciecz o nieprzyjemnym zapachu, warto jednak wykorzystać jej potencjał, fot. Grzegorz Krzyżewski (IChF PAN)

Od odpadu do wartościowego związku

W badaniach laboratoryjnych PAN modelową ligninę z dodatkiem jednego z fotokatalizatorów poddawano działaniu światła ultrafioletowego przy zwykłym ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze ok. 30 stopni Celsjusza. Symulowano zatem warunki występujące naturalnie w nasłonecznionych miejscach. Okazało się, że oba katalizatory bardzo wydajnie przetwarzały alkohol benzylowy, zawarty w strukturze ligniny, w aldehyd benzoesowy. Substancja ta używana jest m.in. przy produkcji barwników i w branży perfumeryjnej.

Miejsca, w których zachodziłyby procesy przekształcania ligniny w paliwo można nazwać biorafineriami. Proces przekształcania ligniny w wartościowe półprodukty wyglądałby następująco: basen wypełniony ligniną musiałby być wystawiony na promieniowanie słoneczne. Naturalne światło aktywowałoby katalizator, który przekształcałby ligninę do pożądanych związków.

Wszystko odbywałoby się w naturalnych warunkach. – Jeśli uda się połączyć słonce, fotokatalizator i ligninę, stworzymy naturalne związki, nie będziemy niczego marnować i zanieczyszczać środowiska – tłumaczy prof. Colmenares z IChF PAN.

Wyścig z czasem

Naukowcy za granicą również pracują nad podobnymi technologiami. Pokłady ropy naftowej kiedyś się skończą i na ten moment potrzebna jest już gotowa technologia, która z powodzeniem zastąpi konwencjonalne źródła energii. Skandynawowie importują już nawet ligninę z Ameryki Południowej. Prof. Juan Carlos Colmenares z IChF PAN podkreśla, że droga do stworzenia technologii przetwarzania ligniny w wartościowe związki to nawet 10 lat intensywnych badań, przy dostatecznym finansowaniu i współpracy ośrodków naukowych.

– Potrafimy w Polsce robić ważne i wartościowe rzeczy i mam nadzieję, że razem z Politechniką Warszawską uda nam się stworzyć rewolucyjną technologię – podsumowuje prof. Juan Carlos Colmenares.

Monika Bukowska

Biuro ds. Promocji i Informacji