Обычные автомобильные шины считаются экологически небезопасными, поскольку они в основном производятся из ископаемого топлива. Автомобильные шины, произведенные из биомассы, включающей деревья и травы, будут идентичны существующим автомобильным шинам с таким же химическим составом, цветом, формой и характеристиками.Технология запатентована Миннесотским университетом и доступна для лицензирования через Управление коммерциализации технологий Миннесотского университета.Новое исследование опубликовано Американским химическим обществом ACS Catalysis, ведущим журналом в области химии и катализа.
В число авторов исследования входят исследователи из Университета Миннесоты, Массачусетского университета в Амхерсте и Центра устойчивых полимеров, финансируемого Национальным научным фондом центра Университета Миннесоты.«Наша команда создала новый химический процесс для производства изопрена, ключевой молекулы автомобильных шин, из натуральных продуктов, таких как деревья, травы или кукуруза», — сказал Пол Дауэнхауэр, доцент кафедры химической инженерии и материаловедения и ведущий исследователь Университета Миннесоты. исследования. «Это исследование может оказать серьезное влияние на многомиллиардную индустрию автомобильных шин».
«Сотрудничество действительно было ключом к этому исследованию, в ходе которого биомасса превратилась в изопрен», — 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 центров NSF по химическим инновациям».В настоящее время изопрен производится путем термического разрушения молекул нефти, подобных бензину, в процессе, называемом «крекинг».
Затем изопрен отделяется от сотен продуктов и очищается. На заключительном этапе изопрен реагирует с самим собой с образованием длинных цепей с образованием твердого полимера, который является основным компонентом автомобильных шин.
Изопрен, полученный из биомассы, был основной инициативой производителей шин в течение последнего десятилетия, при этом большая часть усилий была сосредоточена на технологии ферментации (аналогично производству этанола). Однако было доказано, что возобновляемый изопрен — сложная молекула для создания из микробов, и попытки получить его с помощью полностью биологического процесса не увенчались успехом.При финансовой поддержке NSF исследователи из Центра устойчивых полимеров сосредоточили свое внимание на новом процессе, который начинается с сахаров, полученных из биомассы, включая травы, деревья и кукурузу.
Они обнаружили, что трехэтапный процесс оптимизируется, когда он «гибридизируется», что означает, что он сочетает биологическую ферментацию с использованием микробов с традиционной каталитической очисткой, аналогичной технологии переработки нефти.Первым этапом нового процесса является микробная ферментация сахаров, таких как глюкоза, полученных из биомассы, до промежуточного продукта, называемого 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 металл-металл, которая служила высокоэффективным катализатором.Прорыв в технологическом процессе произошел на третьем этапе дегидратации метил-ТГФ до изопрена.
Используя катализатор, недавно открытый в Миннесотском университете 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 процесс, изопрен может быть возобновляемым источником из биомассы.«Эффективность новых фторсодержащих цеолитных катализаторов, таких как S-PPP, была неожиданной, — говорит Дауэнхауэр. «Этот новый класс твердых кислотных катализаторов демонстрирует значительно улучшенную каталитическую эффективность и является причиной возможности использования возобновляемого изопрена».«Изопрен, полученный из экологически чистых источников, 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 и материаловедения Университета Миннесоты. «Это открытие может также повлиять на многие другие технологически продвинутые продукты на основе каучука».
Помимо профессора Дауэнхауэра, исследователями, участвовавшими в исследовании из Университета Миннесоты, были профессора Майкл Цапацис и Кечун Чжан, исследователи с докторской степенью Омар Абдельрахман, Пак Дэ Сон, Чарльз Спанджерс и Лимин Рен, а также нынешняя студентка Кэтрин Винтер.
Профессор Массачусетского университета в Амхерсте Вэй Фань и студент Хон Дже Чо также были частью исследовательской группы.Чтобы прочитать полный текст исследования, озаглавленный «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 под руководством Университета Миннесоты, финансируемого NSF. Основанная 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 источников, для широкого спектра передовых приложений.