Сравнительно недавно фокус промышленной химии сместился с традиционных понятий о выходах реакций и объемах добычи полезных ископаемых в область приоритета технологий устойчивого развития (sustainable technologies), использования возобновляемых ресурсов и альтернативных источников энергии. Основным стимулом развития новой химической парадигмы послужили: 1) поиски альтернативных углеводородам ресурсов и 2) неотложная необходимость ликвидации накопившихся отходов. С одной стороны, исчерпаемость (конечность запасов) углеводородного сырья очевидна, поэтому так или иначе современной науке приходится искать безуглеводородные пути производства для ключевых индустриальных продуктов. С другой стороны, затраты на ликвидацию отходов некоторых сегодняшних производств в десятки и сотни раз превосходят стоимость полученных целевых продуктов, что существенно тормозит развитие промышленности. Одновременное решение обеих проблем можно получить путем переработки имеющихся отходов в ценный продукт: карбид кальция.
Карбид кальция – одно из самых важных неорганических соединений. Это единственный карбид, который производится промышленностью практически с момента открытия в крупнотоннажном формате. Синтез карбида осуществляется из неорганических ресурсов: углерода и извести. Причем в качестве источника углерода используются самые разнообразные ресурсы: уголь, кокс, антрацит, сажа и пр., а сам процесс проходит при температурах близких к 2000 °С. Таким образом, формат сырья не является принципиальным в данной реакции (процесс толерантный). Если в качестве источника углерода использовать не уголь, а органические отходы или отходы от переработки биомассы, то при таком нагреве практически все органические соединения будут подвергаться пиролизу, основным продуктом которого является углерод, который будет реагировать с известью и переходить в карбид. Посредством такого синтеза многие отработанные органические соединения могут быть возвращены в производственный цикл, в том числе, отходы от переработки биомассы и отработанные полимеры (н-р, полиэтилен). Такая регенерация (рециклизация) позволяет решить сразу две ключевые задачи: источников сырья и утилизации отходов. Основной областью применения карбида является получение ацетилена (гидролиз), после которого образуется так называемый карбидный шлам, состоящий в основном из гидроксида кальция. При нагревании гидроксид кальция превращается в оксид кальция - стартовый реагент в синтезе карбида. Оксид кальция может быть (и должен быть) возвращен в технологическую цепочку производства карбида, т.к. в этом случае экономятся существенные затраты на добычу известняка, доставку породы на завод и вывоз шлама. Фактически производство карбида кальция может потреблять органические отходы (определенные типы) и производить ацетилен, не нуждаясь при этом в углеводородах как таковых, и не нуждаясь в источнике кальция.
Целью настоящего проекта является разработка подхода к рециклизации органического углерода посредством создания углерод-нейтральной технологии на основе карбида кальция. В ходе реализации проекта предполагается решение двух ключевых задач: 1) разработка и оптимизация новой методологии синтеза карбида кальция из органических отходов; 2) создание новых путей применения карбида кальция.
Первая задача будет решаться посредством сплавления различного состава шихт в вольфрамовых и молибденовых тиглях термогравиметрического анализатора, соединенного с масс-спектрометром. Это позволит не только определить выход реакции, но и выбрать наиболее подходящие субстраты для синтеза карбида, что позволит исключить появление нежелательных продуктов. Оптимальные условия реакции будут проверены на больших загрузках в плавильной вакуумной печи. Далее полученный карбид будет протестирован в ряде реакций и проверен на чистоту. Предлагаемый подход к синтезу карбида является принципиально новым, не освещенным ранее в литературе.
Вторая задача будет решаться посредством вовлечения карбида кальция в новые синтетические трансформации для демонстрации его потенциала. А именно: А. Будет предложена универсальная методика допирования высокочистого графита различными металлами посредством нагревания смеси карбида кальция с солями металлов в токе галогена. В результате будет получен высокочистый углерод, на поверхности которого будут депонированы наноструктурированные металлы. Планируется получать палладий, платину, рутений на угле с развитой уникальной морфологией. Полученные материалы будут протестированы в качестве катализаторов различных реакций. Б. Будет осуществлена реакция фотопромотируемого циклоприсоединения генерируемого in situ ацетилена к еноновым субстратам. Источником излучения будут являться диоды. В) На никелевых катализаторах будет осуществлена тримеризация (и полимеризация) in situ генерируемого ацетилена с целью получения бензола, винилацетилена и иных углеводородов. Г) Карбидный шлам, полученный в ходе органического синтеза, будет использован для получения строительного материала с последующей проверкой прочности. Д) Будет разработан и продемонстрирован подход электрохимического генерирования воды с последующим гидролизом карбида и внедрением таким образом ацетиленового фрагмента в состав органических соединений. Все указанные процессы являются принципиально новыми, не озвученными и не освещенными ранее в литературе.
