ЦБК предложили превратить в биоперерабатывающие комплексы

Учёные Технологического института Джорджии разработали комплекс технологий, который может превратить целлюлозно-бумажные предприятия в биорефинерии, выпускающие наряду с целлюлозой материалы для аккумуляторов, промышленные смазки и сорбенты. Основным сырьём для новой продукции станет чёрный щёлок — побочный продукт сульфатной варки древесины.

При традиционном производстве целлюлозы чёрный щёлок проходит через систему выпаривания и котёл-регенератор. Из жидкости удаляется вода, органические компоненты сжигаются для получения тепла и электроэнергии, а неорганические химикаты возвращаются в производственный цикл. Этот процесс требует значительных энергетических затрат.

Группа под руководством профессора Шанкара Наира предложила частично заменить выпаривание мембранной фильтрацией. По оценке разработчиков, удаление воды при помощи мембран потенциально может вдвое снизить энергозатраты на этой стадии производства.

При этом мембраны не только обезвоживают чёрный щёлок, но и разделяют его на фракции с различным химическим составом. В одном из потоков концентрируется лигнин, в другом — органические кислоты. Полученные компоненты могут быть очищены и использованы в качестве возобновляемого сырья для производства материалов, которые сейчас преимущественно получают из ископаемых ресурсов.

Из богатой лигнином фракции исследователи получили углеродные материалы для анодов литий-ионных аккумуляторов и пористые сорбенты, предназначенные для очистки загрязнённых сред и разделения веществ. Лигнин представляет собой природный полимер, обеспечивающий прочность растительных тканей, и в больших объёмах образуется при переработке древесины.

Разработчики рассматривают углерод на основе лигнина как возможную замену синтетическому графиту. Производство традиционного синтетического графита связано с использованием нефтяного сырья и высокотемпературной обработкой. Согласно проведённой исследовательской группой оценке жизненного цикла, применение лигнина может сократить энергопотребление при изготовлении анодного материала на 84%, а выбросы парниковых газов — на 92%.

Отдельное направление работы связано с органическими кислотами, выделенными из чёрного щёлока. Учёные разработали последовательность каталитических реакций, позволяющую преобразовывать их в более тяжёлые молекулы. В дальнейшем полученные соединения могут использоваться для производства промышленных смазочных материалов и функциональных добавок.

В исследовании 2024 года специалисты продемонстрировали каталитическую переработку смеси гидроксикислот, выделенных из чёрного щёлока. В результате удалось получить карбоновые кислоты с более длинными углеродными цепочками, пригодные для последующего химического преобразования.

Следующий этап технологии был представлен в журнале ACS Catalysis в феврале 2026 года. Исследователи применили кетонизацию карбоновых кислот для получения промежуточных химических соединений, которые могут стать основой для выпуска смазок и другой продукции с высокой добавленной стоимостью.

Для промышленного внедрения учёные разрабатывают непрерывную систему изготовления мембран из восстановленного оксида графена. В отличие от лабораторного периодического метода, рулонная технология позволит выпускать длинные мембранные полотна. Планируемая скорость производства должна превысить 60 метров в минуту.

В производственную линию интегрировано вакуумное оборудование, позволяющее отказаться от летучих органических растворителей, обычно применяемых при изготовлении подобных мембран. Разработчики рассчитывают, что это сократит образование отходов и расход воды.

Технология готовится к испытаниям на действующем целлюлозно-бумажном предприятии компании Rayonier Advanced Materials в районе города Саванна в американском штате Джорджия. Мембранные модули установят на опытной установке, через которую будет проходить настоящий чёрный щёлок. Исследователи намерены оценить производительность, устойчивость мембран и возможность их длительной эксплуатации в условиях промышленного производства.

Предлагаемые решения имеют модульную структуру и могут постепенно встраиваться в существующие сульфатные целлюлозные заводы. Предприятиям не потребуется полностью перестраивать производство: отдельные блоки фильтрации, разделения и переработки компонентов можно подключать последовательно.

Извлечение лигнина и органических кислот уменьшит количество органического вещества, поступающего на сжигание в котле-регенераторе. Однако снижение энергозатрат на выпаривание должно частично компенсировать сокращение собственной выработки энергии. Недостающую электроэнергию предприятия смогут получать из внешних сетей.

Ученые также изучают возможность применения мембранной платформы для переработки сельскохозяйственной биомассы и отдельных потоков муниципальных отходов. По их оценке, технология позволит одновременно сократить энергетические затраты, повысить глубину переработки древесного сырья и заменить часть продукции нефтехимической промышленности материалами биологического происхождения.