Расплавы металлов разложили метан на углерод и водород без побочных продуктов
Американские химики-технологи разработали каталитическую колонну, в которой расплав металлов превращает метан в водород и углерод без образования побочных продуктов. За счет продувания пузырьков метана через расплав температурой около 1000 градусов эффективность конверсии метана в таких колоннах достигает 95 процентов. По словам авторов работы, опубликованной в Science, наиболее эффективным катализатором оказался сплав, который содержит 27 процентов никеля и 73 процента висмута.
Основной проблемой получения чистого водорода с помощью паровой конверсии метана является образование в ходе реакции углекислого газа. Когда этот процесс только разрабатывался, образование углекислого газа в качестве одного из продуктов реакции не считалось проблемой, однако сейчас из-за постоянного роста концентрации CO2 в атмосфере в промышленных процессах по возможности стараются избегать его образования даже в качестве побочного продукта.
В случае конверсии метана это можно сделать, например, используя реакцию пиролиза метана с образованием простых веществ: углерода и водорода. Осложняется переход к новой технологии тем, что образующийся углерод осаждается на поверхность твердых катализаторов реакции, что приводит к их пассивации и остановке процесса.
Для решения этой проблемы группа химиков-технологов из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством Эрика Макфарланда (Eric W. McFarland) предложила схему каталитической колонны высотой чуть больше одного метра, в которую катализатор помещается в виде расплава при температуре около 1000 градусов. Через этот расплав продуваются пузырьки метана, которые постепенно превращаются в водород и углерод. Образующийся уголь всплывает на поверхность расплава, где может быть собран и удален из реакционной зоны.
В качестве катализаторов такой реакции ученые использовали расплавы металлов и их сплавов, в которых активным компонентом являются переходные и благородные металлы.
В своей работе химики сравнили активность расплавов различных катализаторов пиролиза метана, и наиболее эффективным катализатором в такой каталитической системе оказался сплав, содержащий 27 процентов никеля и 73 процента висмута. Активным компонентом в такой системе является никель, а висмут выполняет роль своеобразного «растворителя». С помощью такого расплава удалось получать 17 наномоль водорода в секунду с каждого квадратного сантиметра поверхности катализатора. Это примерно в сто раз больше, чем для расплава чистого висмута, в 50 раз эффективнее расплава свинца, и в 2 — 5 раз быстрее, чем при использовании других сплавов, содержащих платину и никель.
Для объяснения активности катализатора авторы работы провели компьютерное моделирование расплава металла, через который двигаются молекулы метана. Оказалось, что атомы активного компонента катализатора (например, никеля или платины) находятся в материале в виде отрицательно заряженных ионов, эффективный заряд которых и определяет каталитическую активность материала.
А он в свою очередь сильно зависит от свойств металла-растворителя, в частности, его температуры плавления.
С помощью такой каталитической системы удалось провести конверсию метана с эффективностью около 95 процентов, которая не снижается и при повышении давления газа до примерно двух атмосфер. Поэтому уже в ближайшее время такие системы можно будет использовать для дешевого и экологически безвредного получения чистого водорода из метана.
В случае, если углерод является побочным продуктом реакции, а не основным, то его осаждение на поверхность катализатора можно предотвратить с помощью небольшого изменения химического состава катализатора. Например, если добавить в никелевый катализатор олово, то оно встраивается в те позиции, куда мог бы осаждаться углерод и таким образом сильно замедляет возможную пассивацию.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Плазмохимическая установка для конверсии природного газа в углерод и водород
%PDF-1.
4
%
1 0 obj
>
endobj
5 0 obj
/Title
>>
endobj
2 0 obj
>
endobj
3 0 obj
>
endobj
4 0 obj
>
stream
Интервью Пиролиз метана
Что особенного в пиролизе метана? Над чем вы работали до сих пор?
Дитер Флик : Пиролиз метана – это принципиально новая технология, которая расщепляет природный газ или биометан непосредственно на компоненты водород и твердый углерод.
Этот процесс требует относительно мало энергии. А если он использует электроэнергию из возобновляемых источников, то выбросов парниковых газов фактически нет. Это идея, которая существует с 1960-х годов, но всегда терпел неудачу из-за технической реализации.
BASF занимается исследованиями пиролиза метана с 2010 года, а в период с 2013 по 2017 год также в рамках совместного проекта, финансируемого BMBF. Мы работаем полным ходом над новыми производственными процессами, потому что защита климата важна для нас, и мы хотим добиться быстрого прогресса в этой области. По этой причине проект также является частью программы исследований и разработок в области управления выбросами углерода, в рамках которой BASF объединяет исследовательскую деятельность с 2018 года9.0007
Нам необходимо провести фундаментальное исследование процесса пиролиза, и мы продолжаем над этим работать. На лабораторном уровне мы изучили техническую возможность и кинетику реакции; Затем мы разработали концепцию первого реактора с движущимся углеродным слоем и произвели небольшие образцы твердого углерода.
Теперь предстоит следующий шаг. В прошлом году BMBF одобрил дальнейшее финансирование пиролиза метана.
Над чем вы работаете в проекте, который работает с апреля 2019 г.?
Frederik Scheiff : Суть этого проекта заключается в выходе из лаборатории в более крупный испытательный комплекс. Этот шаг является для нас настоящей вехой. Наша тестовая установка имеет высоту около 15 м, и мы строим ее в Людвигсхафене с прошлого лета. Цель состоит в том, чтобы выяснить, может ли этот процесс быть успешным в промышленных масштабах.
Строительство идет успешно. Конечно, соблюдаются все меры защиты от коронавируса, такие как обязательное ношение масок, потому что коллеги не всегда могут соблюдать дистанцию. Но это работает очень хорошо. Летом будут доставлены и установлены центральные части реактора.
Ожидается, что испытательный комплекс будет готов к концу года. После пускового этапа мы будем эксплуатировать его посменно круглосуточно. Среди прочего, он предоставит информацию о концепции нагрева, а также об использовании новых типов высокотемпературных материалов.
Дитер Флик : Конечно, строительство этого испытательного стенда не означает, что исследовательская работа завершена. Вместе с партнерами по проекту мы в настоящее время изучаем подходящие варианты использования, например, углерода. При пиролизе метана углерод получается в виде твердого продукта и может использоваться в алюминиевой, сталелитейной и строительной промышленности или в качестве заменителя графита для материалов аккумуляторов. В настоящее время ведется множество исследований и заявок на патенты, всегда с учетом общего углеродного следа.
Что происходит, когда испытательная установка успешно запущена и реакция и, следовательно, производство водорода и углерода действительно стабильны?
Frederik Scheiff : От идеи до воплощения такого проекта очень далеко. Мы все очень взволнованы, потому что испытательный центр — это первый шаг, и он входит в принципиально иное измерение по сравнению с лабораторией. Как только тестовая установка будет работать стабильно, мы начнем еще один исследовательский проект, в рамках которого будем работать над масштабированием и подготовим строительство опытной установки.
Не могли бы вы вкратце рассказать о пиролизе метана? Что означает для BASF и химической промышленности успешный пиролиз метана?
Дитер Флик : Если производство водорода и твердого углерода на испытательном стенде и последующее коммерческое внедрение процесса на пилотной установке окажутся успешными, это станет прорывом не только для исследовательской группы BASF. Новый процесс также может стать важным строительным блоком для CO 9.0043 2 – сокращение производства основных химических веществ, таких как аммиак и метанол, в химической промышленности.
Процесс — при условии, что мы используем электричество из возобновляемых источников энергии — CO 2 -нейтральный. Однако для этого также требуется чистая электроэнергия в необходимых количествах и по конкурентоспособным ценам, что, по сути, является вопросом политических рамочных условий. Для меня и всей команды этот проект, безусловно, является особым вызовом, и мы гордимся тем, что можем помочь сформировать этот путь к низкоуглеродной химии.
Пиролиз метана: водород без выбросов CO2
Водород без выбросов CO2 важен для развития безуглеродного общества. Водород необходим для достижения глобальных климатических и энергетических целей. Мы разработали пиролиз метана. Это технология чистого производства водорода, которая также создает второй ценный продукт: твердый углерод.
Кратко о пиролизе метана
При пиролизе метана мы производим водород из природного газа с использованием углерода, а не CO2, в качестве ценного побочного продукта. Это доступно и будет коммерчески жизнеспособным в течение нескольких лет. Приложения многочисленны, например. добавка к стали, наполнитель для автомобильных шин, графит, краситель и улучшитель почвы. Обычные методы производства водорода потребляют много энергии и поэтому не являются устойчивыми. С помощью пиролиза метана, относительно нового метода, мы скоро сможем производить зеленый водород в больших масштабах.
Нулевые выбросы CO2 во время производства
До сих пор мы производили водород с помощью обычного парового риформинга метана/реакции водяной конверсии или процессов частичного окисления.
Для производства водорода таким способом необходимо много углеводородов, таких как природный газ. Во время этих производственных процессов выделяется большое количество CO2. В процессе производства твердого углерода также выделяется много CO2.
Улавливание и хранение, как и в проекте H-vision, во многом решает проблему выбросов CO2. Но при использовании процессов пиролиза метана, например, больше нет необходимости улавливать и хранить CO2. В этом процессе мы превращаем атом углерода углеводорода в ценный твердый углерод, в результате чего не выделяется CO2.
Уникальная технология
Технология пиролиза метана в расплавленном металле существует уже несколько десятилетий. Однако недавно такие компании, как BASF, Thyssenkrupp, Linde и «Газпром», разработали различные концепции пиролиза метана. Совместными усилиями мы разработали уникальную технологию (на которую ожидается получение патента) более легкого и эффективного отделения углерода от расплавленного металла. Мы находимся в контакте с этими компаниями, чтобы учиться друг у друга и видеть, как можно совместно развивать уникальную технологию TNO.
Есть также ряд технологических областей, где необходимы дополнительные исследования, например. о том, как температура и время пребывания в реакторе влияют на качество получаемого углерода, или о том, как лучше всего довести процесс до промышленного масштаба.
Преимущества пиролиза метана
Пиролиз метана в расплавленном металле имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными методами производства водорода.
- Стоимость производства водорода сравнима с традиционными процессами парового риформинга метана/реакции водной конверсии.
- Используя метан, мы используем его энергетическую ценность в производстве водорода. Преимущества:
- Мы можем производить водород в больших количествах. Это требование для таких отраслей промышленности, как заводы по производству аммиака и нефтеперерабатывающие заводы.
- Метан сохранит свою ценность как чистое сырье для промышленных производственных процессов.
