Российские исследователи изучили изменения структуры клеточных стенок растений после механической обработки при разной температуре. Они выяснили, что при сильном нагревании получившийся материал становится пористым и выделяет из клеточных стенок лигнин, за счет чего он может быть использован для создания поглощающих веществ — сорбентов, необходимых в борьбе с загрязнениями тяжелыми металлами. Работа опубликована в журнале Molecules. Исследование поддержано Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.
                     

Лигнин содержится в клеточных стенках растений. Он отвечает за прочность ствола или стебля и является важным компонентом древесины. Это один из самых распространенных органических полимеров в мире. Сейчас его не слишком активно используют в промышленности, но высокая теплота сгорания порождает интерес к сжиганию богатых лигнином материалов в малой и распределенной энергетике — относительно небольших генераторах недалеко от потребителя энергии. В результате работы сельского хозяйства и деревообрабатывающего производства в качестве отходов образуется биомасса, содержащая лигнин. Она имеет большой потенциал как возобновляемый ресурс для химической и топливной промышленности. Однако разные технологические операции, например, предварительная механическая обработка сырья, значительно и иногда непредсказуемо меняют физические и химические свойства растительных полимеров. Из-за этой неопределенности растительное сырье все еще недостаточно вовлечено в технологический процесс.

Российские ученые из Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск) исследовали, как механическая и термическая обработка влияет на физико-химические и структурные особенности богатой лигнином биомассы. Для изучения они взяли уникальное сырье — стебли тростника, которые содержат много этого вещества. Их выдерживали при температурах -196, 10, 100 и 180 °С, а также подвергали механической обработке в специальных механохимических аппаратах. Ученые выяснили, что в условиях, когда все полимеры находятся в состоянии, схожем с состоянием стекла (при -196 °С), структура клеточных стенок сохраняется, сырье измельчается, словно хрупкий хрусталь. При повышении температуры часть полимеров «оттаивает», сырье уже не может хрупко «колоться», и это способствует протеканию химических превращений. Так, при 180 °С, когда «оттаяли» практически все полимеры (кроме кристаллитов целлюлозы), в клеточной стенке образуется множество пор. Это происходит из-за того, что при механическом воздействии расплавленный лигнин выдавливается из клеточной стенки на поверхность частиц. Этот процесс можно продемонстрировать на примере намыленной губки для мытья посуды. Без механического воздействия она может лежать на столе, но стоит на нее нажать — вода и пена выжимаются наружу, а внутри остаются пустые поры.

Эта особенность имеет практическое применение, например, если нужно извлечь полезное вещество из клетки. Режим хрупкого измельчения, в который переходила биомасса при -196 °С, поможет это сделать. Клетки можно будет разрушить, но само нужное вещество не пострадает. А режим пластической деформации, возникающий при нагревании, позволит проводить реакции ферментативного или кислотного гидролиза (взаимодействия веществ с водой в присутствии кислот или ферментов).

«В самых экстремальных условиях, когда лигнин выжимается на поверхность частиц, этот продукт тоже можно применять. Пористая структура и слой полифенольных, то есть с несколькими присоединенными к молекуле группами связанных водорода и кислорода, соединений, который образуется при высокотемпературной механической обработке биомассы, делают этот материал весьма перспективным для создания комплексных сорбентов на основе гуминовых кислот. Это вещества, которые поглощают тяжелые металлы из окружающей среды. Молекулы лигнина на поверхности частиц могут связываться с гуминовыми кислотами, образуя рукотворную частицу сорбента. Ядро из растительного сырья обеспечивает плавучесть, а гуминовые кислоты сорбируют тяжелые металлы», — прокомментировал руководитель проекта Алексей Бычков, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории химии твердого тела Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук.

Фотография научного коллектива.
Источник: Алексей Бычков

Источники

Растительную биомассу превратили в пористый материал
ТАСС, 25/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
Российский научный фонд (rscf.ru), 25/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
24ТОП.kz (24top.kz), 25/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
Газета.Ru, 25/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
Woman.rambler.ru, 25/03/2020
Растительную биомассу превратили в пористый материал
Российский научный фонд (rscf.ru), 26/03/2020
Растительную биомассу превратили в пористый материал
Российский научный фонд (рнф.рф), 26/03/2020
Нагреть и впитать
Коммерсантъ (kommersant.ru/nauka), 26/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
Открытая наука (openscience.news), 27/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
Индикатор (indicator.ru), 29/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
Новости@Rambler.ru, 29/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
Seldon.News (news.myseldon.com), 29/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
Новости 24/7 (news24-7.ru), 29/03/2020
Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
Nanonewsnet.ru, 30/03/2020
РАСТИТЕЛЬНУЮ БИОМАССУ ПРЕВРАТИЛИ В ПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ
Биотех 2030 (biotech2030.ru), 30/03/2020
Органический полимер Нагретая растительная биомасса может использоваться в медицине и энергетике
ИА ИНВУР (invur.ru), 31/03/2020

Похожие новости

  • 24/03/2020

    В Институте химии твёрдого тела и механохимии СО РАН полпреду Сергею Меняйло представили новейшие разработки сибирских учёных

    23 марта в новосибирском Академгородке полномочный представитель Президента Российской Федерации в Сибирском федеральном округе Сергей Меняйло посетил федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт химии твёрдого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук».
    454
  • 31/03/2017

    Дороги Новосибирска могут начать ремонтировать золобетоном

    Новосибирские дорожники ожидают результатов эксперимента по ремонту магистралей так называемым золобетоном. Как пережило зиму дорожное покрытие из нового стройматериала, уложенное в октябре прошлого года на экспериментальный участок, станет ясно сразу же, как сойдет снег.
    1201
  • 08/12/2016

    Новосибирские химики производят уникальные композитные материалы для сжигания топлива

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и институтов СО РАН создают керамометаллические композитные матрицы на основе порошка алюминия, его оксида и сплавов. Эти уже успешно испытанные материалы обладают уникальными характеристиками, в частности, высокой теплопроводностью, и используются для структурированных катализаторов процессов сжигания и трансформации топлив.
    2881
  • 31/10/2016

    В НГУ проходит российско-японская конференция по перспективным наноматериалам

    ​Новосибирский государственный университет совместно с Институтом химии твёрдого тела и механохимии СО РАН и Университетом Тохоку проводит с 30 октября по 2 ноября 2016 года российско-японскую конференцию «Advanced Materials: Synthesis, Processing and Properties of Nanostructures», посвящённую перспективным материалам и наноструктурам.
    3930
  • 28/06/2016

    Валерий Бухтияров: главная проблема нашей науки - невостребованность экономикой научных результатов

    Современная наука, в частности химия, стремительно меняет свои приоритеты, и уследить за этим процессом нелегко. В первую очередь это касается катализа — той области науки, которая несет в себе черты не только химии, но и физики, математики, биологии.
    2269
  • 13/10/2016

    Новосибирские ученые удостоены премии за выдающиеся работы в области катализа

    Премиями имени выдающихся ученых академия наук поощряет научные труды, открытия и изобретения, имеющие большое значение для науки и практики. ​Премия А.А. Баландина учреждена Российской академией наук и присуждается отечественным ученым  за выдающиеся работы в области катализа.
    2719
  • 27/07/2016

    Николай Ляхов: дороги для Сибири - это главное

    ​Николай Захарович Ляхов, директор Института химии твердого тела и механохимии — один из самых популярных в СО РАН академиков. Он постоянно предлагает «идеи для жизни» за рамками своих научных интересов и старается довести их до практики.
    3097
  • 15/09/2016

    Валерий Бухтияров: катализ - междисциплинарная область науки

    ​Чаепития в Академии" — постоянная рубрика Pravda.Ru. Писатель Владимир Губарев беседует с выдающимися учеными. Сегодня мы публикуем интервью с членом-корреспондентом РАН, доктором химических наук, специалистом в области физико-химии поверхности, гетерогенного катализа и функциональных наноматериалов Валерием Бухтияровым.
    2102
  • 13/01/2016

    Татьяна Толстикова: "В СО РАН есть все предпосылки, чтобы решить проблему импортозамещения лекарств"

    ​Доктор биологических наук, профессор Татьяна Генриховна Толстикова возглавляет лабораторию Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова (НИОХ) СО РАН - уникальную для России структуру.
    3567
  • 09/06/2018

    Андрей Травников поздравил ученых ИК СО РАН с 60-летием института

    ​Глава региона обратился с приветственным словом к участникам и гостям торжественного мероприятия, посвященного 60-летию со дня основания ФГБУ науки Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук.
    915