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».
    516
  • 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.
    1234
  • 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.
    2967
  • 04/02/2019

    Юбилей академика Юрия Николаевича Молина

    ​Юрий Николаевич Молин родился 3 января 1934 года в с. Ромоданово Ромодановского района Мордовской АССР. В 1957 году окончил Московский физико-технический институт. С 1957 по 1959 год — младший научный сотрудник Института химической физики, Москва.
    736
  • 18/05/2020

    Ученые Алтайского края совместно с коллегами из Новосибирска запатентовали уникальную технологию получения этилена

    ​Ученые Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (Бийск) совместно с коллегами из Института катализа имени Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск) разработали уникальную технологию получения этилена.
    265
  • 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.
    964
  • 07/06/2016

    Академик Александр Асеев: что мешает движению нашей науки

    На днях в Новосибирске откроется Международный форум технологического развития “Технопром-2016”. Среди основных вопросов - новые горизонты развития российской науки и реализация ее разработок в российской промышленности.
    2840
  • 04/06/2019

    О присуждении премии имени академика В.А. Коптюга 2019 года

    ​Постановление Президиума СО РАН № 188 от 31.05.2019 В документе, в частности, сказано:  Присудить премию имени академика В.А. Коптюга 2019 года сотрудникам  Новосибирского института органической химии им.
    843
  • 15/12/2016

    2,4 га будут переданы сотрудникам 30-ти институтов Сибирского отделения РАН

    ​В Новосибирской области на территории Академгородка, одного из важнейших научных центров России, к 2021 году будут построены три многоквартирных жилых дома для 311 работников 30 институтов Сибирского отделения Российской академии наук, являющихся участниками жилищно-строительного кооператива "Бозон".
    3005
  • 22/09/2016

    Будущее Академии наук зависит от нее самой

    ​В ходе общего собрания Сибирского отделения РАН в середине сентября состоялась дискуссия о положении дел в науке и ее отдельных направлениях. Академики и члены-корреспонденты РАН обсудили широкий круг вопросов, начиная от постановки целей в научной сфере и заканчивая сотрудничеством в рамках конкретных проектов.
    2451