Nov ARRS projekt o odpadni biomasi bo uporabljal E-RIHS.SI infrastrukturo

Predlagani slovensko – češki projekt je na križišču med pretvorbo biomase (proizvodnja glukarne kisline) in razvojem metod (večnivojsko modeliranje). Glukarna kislina je pomembna platformna kemikalija, ki se še vedno proizvaja na okoljsko problematičen (toksične kemikalijame) in nevaren način. V tem projektu bomo proučili in razvili (teoretično in eksperimentalno) zeleno sintezno pot za uporabo selektivne oksidacije za proizvodnjo glukarne kisline iz odpadne biomase (glukarske kisline), ki je v Sloveniji najbolj razširjen, a še ne povsem izkoriščen naravni vir. Za dosego tega cilja bomo izvedli modeliranje na več velikostnih in časovnih nivojih, ki bo na koncu združeni v novo metodologijo večnivojskega modeliranja, in katalitične eksperimente. Glede na izračune bomo sintetizirali in preizkusili nove formulacije katalizatorjev.

Glukarna kislina je ena najpomembnejših dikarboksilnih kislin, ki pa se še vedno proizvaja na način, ki uporablja dušikovo kislino, belilna sredstva, povzroča emisije dušikovih oksidov in je nevarno eksotermen. Katalitična proizvodnja glukarne kisline se zato intenzivno raziskuje, a ima postopek težave s slabo selektivnostjo in nizkimi dobitki. Večina raziskav se je osredotočila na testiranje več katalizatorjev s poizkušanjem. Običajno so preiskovali le modelne spojine. Posledica je razpršeno razumevanje reakcijskega mehanizma in katalizatorja, na primer kinetični parametri le za v ozko območje reakcijskih pogojev na posameznem katalizatorju.

Večnivojsko modeliranje postaja najpomembnejša tehnika za načrtovanje katalizatorjev in optimizacijo procesov, saj omogoča »vpogled« v reakcijo na več nivojih. Medtem ko so posamezne metode za opis reakcij na različnih nivojih sorazmerno dobro razvite, celovite večnivojske metodologije za njihovo povezavo še vedno ni. Robustna in široko uporabna metoda za večnivojsko modeliranje »od spodaj navzgor« od kvantnokemijskih izračunov do realističnega opisa reaktorja, ostaja močno zaželena.

Predlagani projekt bo odpravil te pomanjkljivost z raziskavo te pomembne reakcije, s čimer bo predlagal boljše katalizatorje in procesne pogojev ter prispeval k razvoju večnivojskega modeliranja. Najprej bomo izvedli temeljite presejalne teste katalizatorjev za selektivno oksidacijo modelnih spojin. S kvantnokemijskimi simulacijami bomo ovrednotili perspektive kovine (žlahtne kovine in redke zemlje) pri delnih reakcijah (pri želeni in stranskih). Iz teh podatkov bomo določili relacije struktura-aktivnost, da bi lahko napovedali aktivnosti zlitin. Za najbolj obetavne katalizatorje in zlitine bomo modelirali celotno reakcijsko pot z vsemi možnimi elementarnimi koraki. Na ta način bomo iz prvih principov dobili od pogojev neodvisne kinetične parametre, kar je ključno za razumevanje mehanizma.

Nato bomo najbolj obetavne katalizatorje in referenčnega (Au/TiO2) sintetizirali, temeljito okarakterizirali in eksperimentalno preizkusili. To bo validacija teoretičnega modeliranja in hkrati za eksperimentalne korelacije med strukture katalizatorja in učinkovitostjo. Kinetično modeliranje bomo izvedli na eksperimentalnih in teoretičnih podatkih. Spreminjali bomo tlak, temperaturo, razmerje reaktantov in katalizatorje, da bi določili njihove vplive in poiskali optimalne pogoje. Sestavili bomo mikrokinetični model, ki bo eksplicitno opisoval hidrodinamične pogoje, transportne pojave, možne nekatalizirane reakcije, hitrosti adsorpcije in desorpcije na medfaznih mejah trdno-tekoče. Tako bomo dobili realističen opis reakcije v relevantnih pogojih, in sicer z rešitvijo tranzientnih enačb.

Na koncu bomo modelirali delovanje idealiziranega pretočnega reaktorja. S podatki iz mikrokinetičnega modeliranja bomo študirali reaktor, ki bo imel katalizator v obliki različnih delcev (kocke, sfere, ploščice, votli valji) in z različnimi nasutji. Proučevali bomo zlasti zadrževalni čas, površinsko in povprečno hitrost, potrebno dolžino reaktorja in poroznost, ki bodo pomembne količine v tem zadnjem koraku večnivojskega modeliranja.

Pri projektu sodelujejo Kemijski inštitut, Raziskovalni inštitut Zavoda za varstvo kulturne dediščine Slovenije in Inštitut za fizikalno kemijo J. Heyrovsky Akademije znanosti Češke, Praga.