​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

  • 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.
    500
  • 29/12/2018

    Созданы новые трансгенные крысы для изучения дефицита транспортера дофамина

    Исследователи создали новую линию трансгенных крыс, которая позволит изучить, как дефицит белкового транспортера дофамина влияет на такие заболевания, как шизофрения, синдром дефицита внимания и гиперактивности, болезнь Паркинсона.
    826
  • 28/03/2019

    Томские ученые разработали пористый материал для имплантатов с улучшенной биосовместимостью

    Материаловеды СФТИ ТГУ разработали новый способ получения биосовместимого пористого сплава на основе никелида титана для создания имплантатов. За счет специальных террас (шероховатостей) на поверхности стенок пор у сплава увеличена удельная поверхность, что сокращает сроки приживаемости имплантата.
    258
  • 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.
    870
  • 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.
    1738
  • 13/02/2019

    Супергидрофильное покрытие для индивидуальных имплантатов предложили ученые ТПУ

    ​Ученые Томского политехнического университета вместе со своими германскими коллегами из университета Дуйсбург-Эссен предложили использовать сферические наночастицы кальций-фосфата в качестве покрытия для имплантатов из сплава ВТ6.
    360
  • 24/12/2018

    Ученые узнали новые факты о механизмах развития рака

    ​Международная группа ученых представила результаты исследования, посвященного изучению механизмов повреждений ДНК, которые превращаются в мутации и в результате приводят к развитию рака.
    863
  • 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.
    572
  • 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.
    442
  • 10/03/2017

    Российские ученые разработали новое вещество против вируса гриппа на основе природных соединений

    ​Ученые из Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и Научно-исследовательского института гриппа в Санкт-Петербурге разработали новый продукт широкого спектра противовирусной активности, в основе которого лежат природные соединения: терпены и терпеноиды.
    2395