Giriş: Sürdürülebilir Plastikler için Imperative
Küresel plastik üretim yılda 400 milyon ton aşıyor, ancak% 10'dan daha az etkili bir şekilde geri dönüştürülüyor. Büyük çoğunluk toprak dolumlarında veya doğal ortamda sona eriyor, bir montaj kirliliği krizini sürüyor. yanıt olarak, biyoplastikler -polimerler tamamen ya da kısmen yenilenebilir biyokütlelerden elde edilen tepkilerin bilimi - bu geçişin merkezinde kritik bir alternatif olarak ortaya çıkıyor.
Bu makale, heterojen katalizin, petrol bazlı meslektaşları ile yenilenebilir plastiklerin üretimine nasıl yol açtığını araştırıyor. Yeşil kimyanın ilkelerinde yer alan tartışma: yüksek atom ekonomisi, enerji verimliliği ve katalizörler.
Biyolojik Biyolojik Biyolojiyi Anlamak
Heterojen kataliz, tepki verenlerden farklı bir aşamada var olan katalizörleri içerir -tipik olarak sağlam bir katalizör sıvı veya gazlı substratlarla etkileşime girer. Bu aşama farkı, belirleyici bir operasyonel avantaj sağlar: katalizörler, filtrasyon, separasyon veya manyetik ayrılıktan kolayca ayrılabilir, sürekli işleme ve tekrarlanabilir.In biorefineries, hangi yemstocks genellikle su içeren karmaşık karışımlar, inhibitörleri ve değişken boşluklar, heterojen katalizörler ve separlanabilirlik özellikle değerli hale gelir.
Katı katalizörler üzerindeki aktif siteler - metal yüzeyler, metal oksit yüzeyler veya farmaküllerin mikrogözlü kanalları içinde - mikropüresel (HMF) veya kaba asitler sağlayan adımlar. Lewis asit siteleri metal oksitlere teşvik eder. Örneğin, Brønsted asit siteleri yanlış metallere (Pd, Ru) veya bu tür ilaçlara karşılaştırıldığında, bu tür ilaçlara güvenir.
homojen katalizörlerin üzerindeki temel avantajları üç kattır: (1) katalizör kurtarma ve geri dönüşüm, atık ve maliyet azaltır; (2) yüksek termal ve kimyasal istikrar, biyokütme dönüşümü için sıklıkla gerekli olan sert koşullar altında operasyon sağlar (yüksek sıcaklık, basınç, asitlik); katı doğa sabit yataklı veya sıvılaştırılmış-bed reaktörler için sürekli işlem için kullanılır, endüstriyel ölçeklendirme için gereklidir.
Anahtar Biyoplastikler ve Yenilenebilir Beslenmeleri
Polylactic Asit (PLA)
PLASTİKA (Cekonomi) tarafından kullanılan ve daha yüksek çözünürlükte bulunan (Cetro) ile daha iyi bir şekilde yapılır.([Dönetici))))))))))))))))))))))))))))))))))
Polyhidronyalkanoates (PHA)
PHAs, organik olarak intracellular karbonu depolama olarak üretilen bir polyester ailesidir. Endüstriyel PHA üretimi, şekerlerin bakteri fermentasyonu, yağ asitleri veya hatta methanenin içine girebilmeli; çünkü PHA üçlühidrojen katalizörler yüksek saflıkta, yüksek çözünürlükte, PHAT’ler ile birlikte PHA’lar üretmek için desteklenmektedir.
Diğer Biyoplastikler: PBS, PEF ve Bio-PET
Polybutylene succinate (PBS) sukser asitten üretilir, ki bu da normalden (PEF) olarak adlandırılır ve 2,5-furandicarlı asit (FDCA) ile elde edilir.
Catalytic Approach Pathways: From Biomass to Monomers
Yenilenebilir yemstocks'tan biyoplastik monomerlerin üretimi genellikle birkaç temel katalizörü içerir. İşte, birincil yol yollarını ve onları etkinleştiren katalizörleri özetliyoruz.
Polysaccharides'in Hidrolysis
Lignocellusic biomass, hücreli asit katalizörlerinden oluşur ve maküloz ve ligin) Bu şekerlemeli karbonattını serbest bırakmak için hidrolit asitler.[Dönetici Hidrolojisi[Dönetici) hidroksit:0) Yüksek sıcaklıklarda (150-200 °C) daha yüksek sıcaklıklara karşı dirençlidir.
Şekerlerin Platform Kimyasalları
Glufurt ve fütürüloz 5hidrojenitilfurt (HMF) kullanılarak hidrasyona (D) veya hidroksittt:2)solid Brønsted asitler [Dörtücük su-organik sıvılar için, [Düzükler)[Düzükler için yüksek çözünürlükte, x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
Hidrojen ve Hidrojeniz
Birçok monomer öncüleri azaltımı gerektirir.Poliz asitinin hidrojeni 2.5-bis(hidrojen mez)Demokrat ve daha fazla hidrojeni kullanarak elde edilir.(QUD)))
Oxidation Reactions
HMF'nin FDCA'ya olan yakınlığı, biyoplastik monomerler için en ince tepkilerden biridir.ETHFLT:0)Au/C ve Pt / C), tabandaki FDCA'nın varlığıyla% 95'in üzerinde hafif sıcaklıklar (70-100 °C) ve O2 baskı ile birlikte, Co-, ve Fe- bazlı metal oksitler).
Eylemde Heterojen Catalyst: Aileler ve Mekanizmalar
Zeolitler ve Mikrogözlü Malzemeler
Zeolitler, iyi tanımlanmış mikroporatifler ve tonable asitlik ile kristalleşmişlerdir. Örnek olarak, FLT:0)ZSM-5[FLT 1:0, orta gözenekler şekerlerden gelen aromatikler, şekerlerden gelen sulara tercih edilirken, g:2.
Metal Oksitler ve Karma Çimentolar
ZrO2, TiO2, Al2O3 ve Magnezyum ve Nb2O5 gibi basit metal oksitler, homojenler oluşturmak veya karıştırılmış oksitler oluşturmakla birlikte (örneğin, SO4/ZrO2) asitlik gücü artırmaktadır.
Desteklenen Metal Catalysts
Noble metaller (Pt, Pd, Ru, Au) karbon gibi taşıyıcılara dağılır, alumina, silik veya titania, hidrojenasyon için işlenir ve C-C darbesi için yüksek frekanslar gösterir.Dörtücü asit hidrojenleme ve destek etkileşimlerine genellikle bağlıdır. Örneğin, boyut kontrollüdür.).
Multi işlevleriz Catalysts tasarım
Birçok biyoplastik monomer sintezler Tandem reaksiyonlarını gerektirir: e.g., guctose isomerizasyon (Lewis asit), HMF'ye (Brønsted asit tasarımı) göre iki asit tipini bir araya getirir.
Homogeneous Catiyal ve Enzymatik Yollar Üzerindeki Avantajları
Homojen katalizörler (örneğin, çözünen metal kompleksleri, mineral asitleri) yüksek ciro sayıları ve kolay kinetik çalışmalar sunabiliyor, ancak enzimler, substratlar ve genellikle karmaşık olmayan bezlenebilirlik sağlar. Heterojen katalizörler, atık suları azaltır ve onlarca yıllık verim için tekrarlanabilir.Enzymatik katalizasyon yüksek oranda seçicidir ve hafif enjeksiyonlar olmadan beslenirler, ancak enzimler substratlar için hassastır.
Meydanlar: Catalyst Deactivation, Cost ve Scalability
Sözlerine rağmen, heterojen katalizörler biyokütmelerde önemli engellerle karşılaşırlar.Deactivation mekanizmaları dahil edilmiştir:0)coke deposition), yüksek sıcaklıklar sırasında oluşmuş ve aktif fazlar[Döneticiler için[Döneticiler için)[Düzükler için, yumuşak asitler (örneğin,)
Maliyet başka bir engeldir. Birçok yüksek performanslı katalizörler, Sn-Beta gibi gelişmiş malzemelere güvenir (Pt, Ru, Au), bu birkaç ülkede pahalı ve jeopolitik olarak yoğunlaşır. Dünyadan gelen alternatiflere (Nihai, Co, Fe, Cu) sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık, sabit reaktörlerde ve ısı yönetimi konuları içerir.
Biyoplastik üretim ekonomisi de yemstock'un fiyatına ve tüm süreç zincirinin verimliliğine bağlıdır. saf glukoz üzerinde iyi çalışan bir katalizör, kürk içeren hidrolitler ve fenditörler içeren gerçek biyokütleler üzerinde başarısız olabilir.
Son gelişmeler: Nanocatalysts, Photocatized ve Machine Learning
Nanoyapım katalizör yüzeyleri aktiviteyi ve tercih eder. Örneğin, [[DÜS:0)Köpektif zeolitler[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ) hierkratik gözenekler (mikroporeler ve mesoporeler) substratlar için erişim sağlarken aktif metaller (DÜDÜDÜ) tek-atomlar[DÜye Olmayanlar)
Fotocatiyaliz, biyokütle dönüşümleri sürmek için güneş ışığı kullanmak için bir yol sunar.ETHFLT:0)TiO2- bazlı fotocatalysts[[Döneticiler) Pt veya Au depozitoları ile birlikte, UV veya görünür ışık altında organik asitler kullanmak için bir rota sunar, ancak seçicilik düşük kalır.
Makine öğrenimi (ML) yüksek kodlu verilerden tepki sonuçları tahmin ederek katalizör keşifleri hızlandırıyor. Elektronik yapı gibi tanımlayıcı modeller, porselen boyut ve bağlayıcı enerjiler özel monomer sintezler için yeni multifonksiyon katalizörler önerebilir. Örneğin, sinir ağları NiGa intermetallic bileşikleri C-O hidrojenoliz için umut verici olarak tespit etti.
Çevre ve Ekonomik Etki
Biyoplastik üretimdeki heterojen katalizin benimsenmesi, birden fazla sürdürülebilirliğe katkıda bulunur. Birincisi, ürün başına üretilen heterojen katalizörlerin (ya da tarım rejitlerinin, orman atıklarının, enerji ürünlerinin) tekrarlanabilirliğini sağlar.İkinci, kedialitik süreçleri genellikle düşük sıcaklıklarda çalışır ve ürünlerden daha az ürün üretir.
Dünya döngüsü değerlendirmeleri (LCAs) tarafından üretilen chemocatalytic rota (tekrar-Beta), HMF'nin fosil bazlı PET'e kıyasla% 40 azaltımı ve FDCA kaynağının çoğunlukla, biyokütle için daha düşük enerji girişi ve yüksek verim nedeniyle% 20 oranında azaltımı gösterir.For PEF, LCAs, üretiminin Pt-catalyzed oxidasyonunu garanti altına almak için önemli ölçüde önemlidir.
Ekonomik bir bakış açısıyla, katalizör üretimi ve yenilenmesi maliyeti, iyi optimize edilmiş biyorefinery'de toplam işletme maliyetinin küçük bir kısmıdır. Biyoplastikler için küresel pazar, 2030'dan fazla bir süredir, yönetmelik (örneğin, AB Single-Use Plastiks Yönerge) ve şirket sürdürülebilirliği taahhütlerinde bulunan uluslararası pazar, Avrupa'daki birkaç pilot bitki ile ve Çin'den FDCA üretimi için artmaya devam etmektedir.
Future: Ticari Gerçeklike Doğru
Biyoplastikler için heterojen katalizin tam potansiyelini anlamak için, birkaç alan odaklanma gerektirir:
- [FONT:0]Katalınlık gerçek süreç koşulları altında en üst düzey stabilite: Sürekli reaktörlerde gerçek biyokütleler ile yapılan uzun vadeli testler (1000+ saat) yapıyı yok etmeden aktiviteyi geri yüklemesi gerekir.Regeneration protokolleri (kalsitasyon, yıkama, azaltım, azaltım)
- [FONT=0)Sekiz ve alt işlemenin kısaltması: Catalytic reaksiyonlar, biyokütle ön tedavi ile entegre edilmelidir (örneğin, asit Hidrolysis, buhar patlama) ve ürün ayrışma (örneğin, kristalleştirme)
- [FONT:0)Dön olmayan metal katalizörlerin geliştirilmesi: [Döntgen: 1) Ni, Cu, Fe ve Co, leaching ve deactivation in aqueous media. Alloying, core-shell design, and support changes can improve their strongness.
- [FONT:0]Scale-up reaktör tasarımı: Sürekli işlem için reaktörler hileli otoklavlardan uzaklaşmak için tahrikli betonlar ve katalizörler için büyük ölçüde yüzeysel sistemlerde kullanılan proses modeli, hesaplamalı akışkan dinamikleri kullanarak hızlanabilir.
- [FONT:0)Biocatalytic hybrid processes:[Dönetici:[Dönetici: 0,4] Hem dünyaların en iyi şekilde dönüştürülmesi: kimyadan yüksek verimlilikten yüksek düzeyden kimyaya kadar yüksek verimlilik.
Sonuç olarak, heterojen kataliz sadece yardımcı bir teknoloji değil, maddi bilimin temelsel bir şekilde elde edilmesi, tepkinin ve hesaplama modeline doğrudan yüksek değer veren monomerlere dönüştürülmesi, beton katalizörlerin alanından gelen kimyasal üretimi tahmin edebiliyoruz, petrolün iyi olduğu, uranyumun ve sürdürülebilirliğinin sorunları.
[FONT=0)Dönemli Referanslar: [Dönemli: [Dönemli: 1)
- [FONT=0]Climent, Corma & Iborra (2016) " Biyomass platformu moleküllerinin yakıt katkı ve sıvı hidrokarbon yakıtlarına geri dönüşümü" - Kimyasal Yorumlar).
- [0]Sampat, Shao & Liu (2020) " Biyoplastiklerin üretimi için heterogeneous kataliz: A review" - Catized).
- [0] Avrupa Biyoplastikleri - Pazar Verileri 2023).
- [FONT=0)Xu et al. (2021) " Biyomass dönüşüm için katalizdemasötik öğrenme" - Doğa İletişim[Dön 1: 1)