Антон Ладесов о «зеленых» растворителях

Ионные жидкости для растворения древесины

Я исследую свойства ионных жидкостей. Это новый класс растворителей, представляющий собой жидкую при комнатных условиях соль, его начали изучать где-то в 70-х годах. Ионные жидкости способны полностью растворить древесину. Таким путем получают целлюлозу и лигнин — основные полимеры, которые содержатся в дереве.

Из целлюлозы, как вы знаете, делают бумагу. Лигнин пока широко не применяют, чаще его используют как топливо на бумажном комбинате.

Наш способ растворения древесины мог бы сделать производство бумаги более экологичным. Ионные жидкости считаются «зелеными» растворителями, у них низкое давление паров, значит, они не отравляют атмосферу. Все упирается в стоимость. Ионные жидкости очень дорогие: один литр стоит около 70 тысяч рублей, поэтому пока с точки зрения промышленности, их применение невыгодно. Но с точки зрения фундаментальной науки исследование оказалось интересным.

Процесс исследования

Чтобы понять, как ионные жидкости будут вести себя с древесиной, мы сначала изучили их физические свойства. Использовали ионные жидкости 1-бутил-3-метилимидазолия ацетат и 1-бутил-3-метилимидазолия метилсульфат. Сделали порядка 400 растворов. Все изучали на ультрафиолетовом спектрофотометре, регистрировали изменения физических характеристик жидкости при добавлении сорастворителя — воды, диметилсульфоксида или метилового спирта.

Сначала мы пробовали работать по методике новозеландского ученого Пинкерта, но повторить его опыт не получилось, так как он использовал другие ионные жидкости. Пришлось модернизировать методику.

Мы подобрали подходящие для нас условия. Выяснили, что лучше растворять древесину в ацетате 1-бутил-3-метилиминдозолия с 20% диметилсульфоксида. В этой смеси опилки нужно варить 6 часов при 120 градусах. Опилки используем размером 200 микрон.

Сразу после варки горячий раствор мы выливаем в ацетон. Выпадает осадок полисахарида, остается раствор ацетона и ионной жидкости черного цвета. Ацетон выпариваем, чтобы остался концентрат лигнина, растворенного в ионной жидкости. Дальше мы его переливаем в подкисленную воду. Так выпадает лигнин.

Необычная находка

Мы провели полный анализ, выявили все характеристики лигнина и получили интересные данные по его элементному составу — в нем обнаружился азот. Он может присутствовать в ионной жидкости, но в самом лигнине его быть не должно. Тем не менее, азот мы обнаружили, хотя хорошо отмывали и сушили лигнин. Теперь мы хотим понять, встроен ли катион ионной жидкости в структуру лигнина или остатки жидкости попали в межмолекулярное пространство. Сейчас мы проводим эксперимент: варим древесину по классическим методикам. Получаем из варочного раствора диоксанлигнин. Изучаем его свойства и потом растворяем в ионной жидкости. Дальше снова его выделяем, уже из ионной жидкости и опять проводим анализ. Мы исследовали свойства до растворения и собираемся исследовать свойства после. Если снова обнаружим азот, то можно говорить о том, что катион ионной жидкости присоединяется к молекуле лигнина. Получается уже другой продукт, модифицированный. Это может заинтересовать научное сообщество. Мы уже поделились нашими наблюдениями на международных конференциях во Франции и в Испании.