Лигнин – важнейший компонент древесины и второй по распространённости природный полимер после целлюлозы, который чаще всего рассматривается как отход целлюлозно-бумажной промышленности. В промышленности лигнин используется преимущественно в системе регенерации химикатов и сжигания для получения электроэнергии при сульфатном способе производства целлюлозы.

Примечательно, что в 60‑х годах прошлого столетия в Архангельске исследовалось применение лигнина в качестве добавки при производстве резины. Также этот полимер используется как добавка в буровые растворы. Но по данным архангельских учёных, промышленный потенциал этого биополимера значительно шире.

По словам руководителя исследовательской группы, директора Института экологических проблем Севера Лавёровского центра, профессора САФУ Константина БОГОЛИЦЫНА, анализ структурных свойств природных и технических лигнинов показал, что этот биополимер обладает уникальными электрофизическими свойствами.

Природа компонента

«Лигнин сегодня – это побочный продукт при получении целлюлозного полуфабриката. Древесную матрицу разделяют на компоненты: полисахариды, целлюлозу и гемицеллюлозу, а также лигнин, который нужно удалить. Он содержится в уже отработанных варочных щёлоках. Далее лигнин идёт на сжигание, восстановление химикатов и так далее. Однако этот компонент можно выделять из варочного раствора и использовать по множеству направлений», – рассказал «Бизнес-классу» Константин Боголицын.

В Архангельске уже давно ведутся исследования свойств, в том числе электрофизических и электрохимических, основных компонентов древесины и других растительных объектов.

«Первые работы были опубликованы более тридцати лет назад. Тогда вместе с коллегами из Санкт-Петербурга мы стали заниматься биосенсорами. Это направление до сих пор востребовано, ведь подобные сенсоры применяются для широкого круга измерений, – уточнил Константин Григорьевич. – Лигнины проявляют очень интересные свойства, подобные полупроводникам. Это позволило разработать ионно-селективные электроды, мембраной для которых служил лигнин. Мы получили первый сигнал, подтвердивший наши гипотезы. Затем мы подготовили теоретическое обоснование, исследовали структуру и функциональную природу этого компонента».

После чего были разработаны методы, позволяющие оценивать окислительно-восстановительные или реакционные свойства лигнинов.

«Почему бы из свалок не получать золото?»

«Безусловно, биосенсоры востребованы как в медицинской промышленности, так и в фармацевтике, биотехнологиях. Однако направление, связанное с конденсаторами, ещё более перспективное. В этом случае продукция на основе лигнина имеет все шансы на широкое промышленное использование. Уже более 17 лет, а вплотную – лет 5-6, мы изучаем возможности лигнина для получения материала для конденсаторов. Это направление связано с биорефайнингом, то есть вовлечением отходов во вторичное использование с созданием продуктов с высокой добавленной стоимостью. Почему бы из свалок не получать золото?» – продолжил профессор.

Структура лигнина близка к материалам, из которых получают конденсаторные диэлектрики. Химики и физики уже определили, какие именно элементы в органическом соединении могут переносить электрические заряды. Учёные исследовали электрофизические свойства лигнина в широком диапазоне частот переменного электрического поля – от 0,01 до 10 000 000 Гц.

«Когда мы начинали наши исследования – 30 лет назад – ещё не было аппаратуры для изучения столь тонких процессов. Сегодня же, объединив компетенции Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики и Северного (Арктического) федерального университета, физиков и химиков, мы получили результаты и можем с уверенностью сказать, что всё работает и работает хорошо. Получился очень успешный конгломерат», – подчеркнул Константин Боголицын.

Учёные подтвердили, что лигнин может использоваться для производства широкополосных электрических конденсаторов. Теперь исследователи хотят попытаться модифицировать компоненты полимера, чтобы усилить его электрофизические свойства.

«Вот плёнка, сделанная на основе лигнина: в её составе около 10% этого компонента древесины, – отметил старший научный сотрудник лаборатории химии растительных биополимеров ФИЦКИА Сергей ХВИЮЗОВ, показывая образец. – Плёнку используют для конденсаторов, зажимая её между двумя пластинками электродов. В этом случае ёмкость составила микрофарад – это неплохой результат. В принципе с этим продуктом мы можем конкурировать с плёночными конденсаторами, которые изготавливаются из полистирола, полипропилена – то есть из нефти, газа, синтетических продуктов».

Важно отметить, что лигнины – это биоразлагаемые полимеры, то есть экологичные.

«Недавно в университете была представлена разработка по получению особого сорта бумаги для суперконденсаторов. Бумага изготавливается путём специальной обработки волокнистого сырья. Это направление существенно может продвинуть комплекс работ, связанных с получением новых электротехнических материалов и изделий», – уточнил Константин Григорьевич.

«Первенство за нами»

Уже есть серьёзная научная основа, конкретная разработка, показана её эффективность и перспективность. Но…что дальше?

«Следующий этап – это, конечно, поиск партнёров и выход на заинтересованные стороны. Судя по отклику на наши публикации, которые вышли в отечественных и международных журналах, интерес довольно высокий как со стороны науки, так и со стороны производственников. Аналогичных исследований пока не было, так что первенство за нами. Тем не менее, они могут появиться, поэтому важно развивать исследование, задействовать лигнин для создания совершенно новых продуктов, подтверждая приоритетную позицию страны в области этих разработок», – уверен профессор.

Продолжение работы требует серьёзных финансовых затрат как на проведение исследования, так и на оценку потребительских свойств продукта, создание экспериментального прототипа и его испытание.

«Хотелось бы, чтобы при составлении программы научных исследований региона, этот проект был отмечен и стал востребованным», – добавил Константин Боголицын.