​Российские ученые из Института химии Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) построили термодинамическую модель синтеза биотоплива для жидкой системы. Результаты исследования помогут создать более эффективные способы производства топлива из органического сырья и модифицировать известные еще с XIX века термодинамические правила. Статья опубликована в журнале Fluid Phase Equilibria. Работы поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ) в рамках Президентской программы исследовательских проектов.

В прогнозах по развитию альтернативных источников энергии биотопливу отводят одно из ключевых мест. Возможность перерабатывать органические отходы в спирты или биодизель очень привлекательна, но процесс производства и очистки биотоплива основан на сложных и не до конца изученных химических реакциях. Чтобы в будущем производство биотоплива было эффективным и безопасным, необходимо закрыть "белые пятна" - детально изучить химию и физику его синтеза.

В исследовании, проведенном на кафедре химической термодинамики и кинетики СПбГУ под руководством Марии Тойкка, получение биотоплива изучалось на модельной системе из четырех жидких компонентов: уксусной кислоте, амиловом спирте, амилацетате и воде. Основная задача исследования состояла в том, чтобы, во-первых, определить, из чего состоит каждый компонент системы в тот момент, когда они находятся в равновесии. Несмотря на то, что между компонентами существует четкая граница, температура и давление в них одинаковы и стабильны. А во-вторых, чтобы понять границы расслаивания смеси, необходимо было определить, как растворяются компоненты в этой системе.

Ученые наблюдали за модельной системой при температуре в 303,15 К (30 °С) и нормальном атмосферном давлении. Заданные условия поддерживались в специально сконструированной термостатируемой ячейке. В отличие от стандартных приборов для поддержания температуры, эта установка была изготовлена из прозрачного стекла в стеклодувной мастерской Института химии СПбГУ. Сквозь стекло исследователи отслеживали, как смесь расслаивается. При этом образовывалась вторая жидкая фаза, содержащая те же компоненты, но в других концентрациях.

Изменения в составе смеси фиксировали с помощью метода газовой хроматографии. Для этого пробу жидкости специальным шприцем вводили в испаритель хроматографа. Получившийся пар вместе с потоком инертного газа-носителя поступал в хроматографическую колонку - узкий сосуд с подобранным специально для анализируемой смеси поглощающим твердым веществом-сорбентом. Благодаря сорбенту пар разделялся на составляющие вещества, и отдельные компоненты "выходили" из колонки в разное время. На выходе детектор по теплопроводности фиксировал каждый компонент электрическим сигналом. Сигнал преобразовывался в пик на итоговой хроматограмме: чем выше концентрация вещества, тем сильнее сигнал, больше высота и площадь пика. По уровню пиков определялось количество "пойманных" веществ в пробе.

Ученых интересовало, при каких концентрациях компонентов в смеси "уксусная кислота - амиловый спирт - амилацетат - вода" достигаются так называемые критические точки.

"Критические точки - это предельные точки на кривых растворимости. Когда состояние системы приближается к ним, фазовое равновесие нарушается, и система теряет термодинамическую устойчивость: увеличиваются сжимаемость вещества, то есть его способность менять объем, и рассеяние света, замедляются химические реакции. Важно знать, при каком составе система достигает критических точек, чтобы прогнозировать изменение ее характеристик", - поясняет руководитель работы Мария Тойкка.

Исследователи получили достаточно данных для термодинамической модели, которая предсказывает поведение системы "уксусная кислота - амиловый спирт - амилацетат - вода" при разных составах. Следующий этап работы - эксперименты со смесями из других компонентов. В конечном итоге обобщенные данные станут основой для новых способов получения биотоплива.

У работы есть и фундаментальное теоретическое значение. Современная термодинамическая теория растворов базируется на правилах, сформулированных еще классиками отечественной химии, например, на законах Коновалова и Вревского. Эксперименты с системами, моделирующими процессы производства биотоплива, дадут возможность модифицировать эти правила для случая химического равновесия и химически неравновесных систем.

Похожие новости

  • 20/08/2018

    Учеными созданы железные спирали тоньше человеческого волоса

    ​Исследователи СПбГУ смогли синтезировать микроспирали соединений железа диаметром около 12 микрон - почти в десять раз тоньше человеческого волоса. Их можно будет использовать, например, для создания сенсоров с высокой чувствительностью, а также в качестве миниатюрных электромагнитов или индукторов.
    248
  • 23/06/2018

    Российские ученые нашли вещество, ослабляющее защиту раковых клеток

    ​Российские молекулярные биологи открыли вещество, способное "отключать" белки, мешающие химиотерапии убивать раковые клетки, и успешно проверили его работу на культурах рака прямой кишки.
    496
  • 25/04/2018

    Наночастицы помогут разглядеть белки при экстремально высоких температурах

    ​Российские ученые создали многофункциональное наноустройство из диэлектрических наночастиц на металлической подложке. С его помощью можно определять температуру и состояние окружающих молекул.
    339
  • 21/12/2017

    Российские химики создали универсальные компоненты для любых лекарств

    Ученые Института живых систем Балтийского федерального университета имени И. Канта с коллегами из Лаборатории химической фармакологии Санкт-Петербургского государственного университета предложили простой способ получения соединений дикарбоновых кислот, которые являются "кирпичиками" для создания практически любых молекул.
    436
  • 30/05/2017

    Ученые испытали препараты для лечения сложных случаев наркомании и алкоголизма

    ​Специалисты НИИ психического здоровья Томского национального исследовательского медицинского центра РАН испытали новые методы лечения сложных случаев алкоголизма и наркомании. По данным специалистов, в настоящее время увеличивается число случаев сочетания проявлений наркологической или алкогольной зависимости с другими психическими расстройствами.
    1442
  • 17/05/2018

    Ученые ТГУ отправятся на поиски новых бактерий

    ​Ученые кафедры физиологии растений и биотехнологии БИ ТГУ в рамках проекта, поддержанного РНФ, займутся поиском новых микроорганизмов в удаленных труднодоступных экосистемах в Сибири. Наряду с этим микробиологи изучат характеристики двух бактерий, обнаруженных в 2017 году глубоко под землей.
    494
  • 24/01/2018

    Российские и американские ученые разработали алгоритм для быстрого поиска новых антибиотиков

    ​Молодые сотрудники Центра алгоритмической биотехнологии СПбГУ под руководством Павла Певзнера вместе с ассистент-профессором Университета Карнеги — Меллон (США) Хосейном Мохимани разработали компьютерную программу, которая ускорит поиск новых антибиотиков.
    487
  • 29/12/2017

    Ученые разработали алгоритм для ДНК-оригами

    Международный коллектив российских и американских ученых предложил алгоритм компьютерного моделирования сложенных из ДНК трехмерных конструкций. Такие нанороботы могут использоваться в электронике и медицине, например, для доставки лекарств.
    583
  • 26/04/2018

    В Томске разработали биополимер, контролирующий время действия лекарств

    ​Ученые из лаборатории полимеров и композиционных материалов Томского государственного университета (ТГУ) разработали биополимер, который поможет медикам и фармацевтам контролировать время действия лекарственных препаратов.
    420
  • 14/11/2018

    Алтайские ученые запатентовали рецептуру пшеничного хлеба с добавлением гриба Чага

    Группа ученых Алтайского государственного технического университета имени Ивана Ползунова предлагает включать древесный гриб Чага (трутовик скошенный) в качестве добавки при производстве пшеничного хлеба.
    465