Производството на метан от въглероден диоксид е процес, който изисква лабораторни условия. Така през 2009 г. в Университета на Пенсилвания (САЩ) беше произведен метан от вода и въглероден диоксид с помощта на нанотръби, състоящи се от TiO 2 (титанов диоксид) и съдържащи азотни примеси. За да получат метан, изследователите поставят вода (в състояние на пара) и въглероден диоксид в метални контейнери, затворени с капак с нанотръби от вътрешната страна.
Процесът на производство на метан е следният: под въздействието на слънчевата светлина във вътрешността на тръбите, които пренасят, се появяват частици електрически заряд. Такива частици разделят водните молекули на водородни йони (Н, които след това се комбинират в водородни молекули Н2) и хидроксилни радикали (-ОН частици). Освен това, в процеса на производство на метан, въглеродният диоксид се разделя на въглероден оксид (CO) и кислород (O 2 ). Накрая въглеродният окис реагира с водород, което води до вода и метан.
Обратната реакция - производството на въглероден диоксид възниква в резултат на парна деформация на метан - при температура 700-1100 ° C и налягане 0,3-2,5 MPa.
Мравчената киселина, чиято формула е HCOOH, е най-простата монокарбоксилна киселина. Както става ясно от името му, източникът на откриването му са характерните секрети на червените мравки. Въпросната киселина е част от токсичното вещество, отделяно от жилещи мравки. Освен това съдържа горяща течност, която се получава от ужилване на гъсеници на копринени буби.
Разтворът на мравчена киселина е получен за първи път по време на експериментите на известния английски учен Джон Рей. В края на седемнадесети век той смесва вода и червени горски мравки в съд. След това съдът се нагрява до кипене и през него се пропуска струя гореща пара. Резултатът от експеримента е получаването на воден разтвор, чиято отличителна характеристика е силно кисела реакция.
Андреас Сигизмунд Маргграф успява да получи чиста мравчена киселина в средата на осемнадесети век. Безводната киселина, която е получена от немския химик Юстус Либих, се счита за най-простата и най-силна карбоксилна киселина в същото време. Според съвременната номенклатура се нарича метанова киселина и е изключително опасно съединение.
Днес производството на представената киселина се извършва по няколко начина, включително редица последователни стъпки. Но е доказано, че водородът и въглероден двуокисспособен да се превърне в мравчена киселинаи да се върне в първоначалното си състояние. Развитието на тази теория е извършено от немски учени. Уместността на темата беше да се сведе до минимум навлизането на въглероден диоксид в атмосферен въздух. Този резултат може да бъде постигнат чрез активното му използване като основен източник на въглерод за синтеза на органични вещества.
Иновативната техника, върху която са работили немски специалисти, включва каталитично хидрогениране с образуване на мравчена киселина. Според него въглеродният диоксид става както основен материал, така и разтворител за отделяне на крайния продукт, тъй като реакцията се извършва в суперкритичен CO2. Благодарение на този интегриран подход едноетапното производство на метанова киселина става осъществимо.
Процесът на хидрогениране на въглероден диоксид с образуването на метанова киселина в момента е обект на активни изследвания. Основната цел, преследвана от учените, е получаването химични съединенияот отпадъци, генерирани от изгарянето на изкопаеми горива. В допълнение към широкото използване на мравчена киселина в различни индустрии, е необходимо да се отбележи нейното участие в съхранението на водород. Възможно е ролята на гориво за превозни средства, оборудвани със слънчеви панели, да играе тази киселина, от която каталитичните реакции позволяват извличането на водород.
Образуването на метанова киселина от въглероден диоксид чрез хомогенна катализа е обект на изследване от специалисти от 70-те години на ХХ век. Основната трудност се счита за изместване на равновесието към изходните вещества, което се наблюдава на етапа на равновесната реакция. За да се реши проблемът, е необходимо да се отстрани мравчената киселина от реакционната смес. Но на този моменттова може да се постигне само ако метановата киселина се превърне в сол или друго съединение. Следователно, чиста киселина може да се получи само ако има допълнителен етап, който се състои в разрушаването на това вещество, което не позволява да се постигне организирането на непрекъснат процес на образуване на мравчена киселина.
Въпреки това уникалната концепция, разработена от учени от групата на Валтер Лайтнер, става все по-популярна. Те предполагат, че интегрирането на етапите на хидрогениране на въглероден диоксид и изолиране на продукта с тяхното изпълнение в рамките на един апарат позволява да се направи процесът на получаване на чиста метанова киселина непрекъснат. Как учените са постигнали максимална ефективност? Причината за това е използването на двуфазна система, в която подвижната фаза е представена от суперкритичен въглероден диоксид, неподвижната фаза е йонна течност, течна сол. Трябва да се отбележи, че йонната течност е използвана за разтваряне както на катализатора, така и на основата, предназначена да стабилизира киселината. Потокът от въглероден диоксид при условия, при които налягането и температурата надвишават критичните стойности, насърчава отстраняването на метановата киселина от реакционната смес. Важно е наличието на свръхкритичен въглероден диоксид да не води до разтваряне на йонни течности, катализатори или основи, осигурявайки максимална чистота на полученото вещество.
Публикувано: 31.12.2016 11:32Производството на метан от въглероден диоксид е процес, който изисква лабораторни условия. Така през 2009 г. в Университета на Пенсилвания (САЩ) беше произведен метан от вода и въглероден диоксид с помощта на нанотръби, състоящи се от TiO 2 (титанов диоксид) и съдържащи азотни примеси. За да получат метан, изследователите поставят вода (в състояние на пара) и въглероден диоксид в метални контейнери, затворени с капак с нанотръби от вътрешната страна.
Процесът на производство на метан е следният: под въздействието на слънчевата светлина вътре в тръбите се появяват частици, които носят електрически заряд. Такива частици разделят водните молекули на водородни йони (Н, които след това се комбинират в водородни молекули Н2) и хидроксилни радикали (-ОН частици). Освен това, в процеса на производство на метан, въглеродният диоксид се разделя на въглероден оксид (CO) и кислород (O 2 ). Накрая въглеродният окис реагира с водород, което води до вода и метан.
Обратната реакция - производството на въглероден диоксид възниква в резултат на парна деформация на метан - при температура 700-1100 ° C и налягане 0,3-2,5 MPa.
Ръководители на Института по индустриални науки към Токийския университет, Национален институтнаука и напреднали технологии (Национален институт за напреднали индустриални Науката и Technology, AIST), Hitachi Zosen Corp, JGC Corp и EX Research Institute Ltd на 18 ноември 2016 г. решиха да организират нова съвместна изследователска група „CCR (улавяне и повторно използване на въглерод) Study Group“. Тази група ще разработи широкомащабни технологии, които могат да произвеждат течни и газообразни горива, като метан, използвайки атмосферен въглероден диоксид и водород, получен чрез електролиза, използвайки енергия от чисти, възобновяеми източници.
На първо място, тази група ще се занимава с изследвания, насочени към повишаване на ефективността на използването на енергията, получена от възобновяеми източници, ефективността на технологиите за отстраняване на въглероден диоксид от атмосферата и по-нататъшното му използване, както и разработването на нови, повече съвременни методиполучаване на водород от вода чрез електролиза.
Бъдещите технологии ще се основават на доста добре познати физически процесии химични трансформации, реализирани на съвременно технологично ниво. Въглеродният диоксид, отделен в атмосферата при изгаряне на всякакъв вид изкопаеми горива, ще реагира с водород. Този водород ще се произвежда чрез електролиза, а необходимата енергия за това ще идва изключително от екологично чисти източници, главно от слънчеви и вятърни електроцентрали.
Тази технология се счита не само за чист източник на течни и изкопаеми горива. Друга функция на тази технология ще бъде да съхранява излишната енергия, получена от слънчеви и вятърни централи, под формата на гориво в часовете на минималното й потребление.
CCR Group ще се занимава с всички съществуващи видове възобновяеми чисти енергийни източници. Освен това нов ефективни методипроизводство на водород, освобождаване на въглероден диоксид и превръщането му в гориво.
Работата по всички технологии, които се изследват и разработват, ще се извършва от две гледни точки. Първата позиция ще бъде създаването на малки по размер, по възможност мобилни инсталации с не много висока мощност, които могат да осигурят газ метан за нуждите на определена малка група хора (децентрализиран модел). И второто направление ще бъде разработването на мащабни производствени системи, които ще имат достатъчно висока мощност и които могат да бъдат включени в общата енергийна мрежадържави (централизиран модел).
Химиците са разработили фотокатализатор на базата на меден оксид и цинков оксид, който позволява въглеродният диоксид да се превръща в метан, когато е изложен на слънчева светлина, а използването на такъв катализатор направи възможно напълно да се избегне образуването на странични продукти. Проучването е публикувано в Nature Communications.
Увеличаването на въглеродния диоксид в атмосферата се нарича една от възможните причини за глобалното затопляне. За да се намали по някакъв начин нивото на въглероден диоксид, учените предлагат да го използват като химически източник по време на превръщането му в други въглеродсъдържащи вещества. Например, наскоро имаше редукция на атмосферния въглероден диоксид до метанол. Правени са няколко опита за развитие ефективни начинипреобразуване на въглероден диоксид във въглеводородни горива. Обикновено за това се използват катализатори на базата на титанов (IV) оксид, но тяхното използване води до производството на голям брой странични продукти, по-специално водород.
В новата си работа химици от Корея предложиха нова конфигурация на фотокатализатор, състоящ се от цинков оксид и меден (I) оксид, който позволява редуцирането на атмосферния въглероден диоксид до метан с висока ефективност. За да получат катализатора, химиците са използвали двуетапен синтез от медни и цинкови ацетилацетонати. В резултат на това беше възможно да се получат сферични наночастици от цинков оксид, покрити с малки кубични нанокристали от меден (I) оксид.
Схема за синтез на наночастици на катализатор
К.-Л. Bae et al./Nature Communications, 2017
Оказа се, че такива наночастици са фотокатализатори за превръщането на въглеродния диоксид в метан. Реакцията протича при стайна температура при облъчване със светлина във видимата и ултравиолетовата област. водна среда. Това означава, че включва въглероден диоксид, предварително разтворен във вода. Катализаторната активност е 1080 микромола на час за 1 грам катализатор. Концентрацията на метан в получената смес от газове надхвърли 99 процента. Причината за такава висока ефективност на катализатора е съотношението на енергиите на забранените зони в медните и цинковите оксиди, което води до по-ефективен трансфер на заряда между компонентите.
Промяна на концентрацията на веществата по време на превръщането на въглеродния диоксид в метан с помощта на предложения катализатор
К.-Л. Bae et al./Nature Communications, 2017
В допълнение, учените сравняват свойствата на предложения катализатор с най-ефективния катализатор, който е бил използван за преобразуване на въглероден диоксид преди. Оказа се, че катализатор със същата маса за същото време позволява да се произведе приблизително 15 пъти по-малко метан от нов. Освен това съдържанието на водород в получената смес е приблизително 4 пъти по-високо от съдържанието на метан.
Според учените предложеният от тях катализатор може не само да се използва за ефективно превръщане на въглеродния диоксид в метан, но също така е източник на информация за механизмите на такива реакции с участието на фотокатализатори.
Използват се и други методи за намаляване на количеството въглероден диоксид в атмосферата. Например, наскоро в една от електроцентралите в Исландия имаше модул, който улавя атмосферния въглероден диоксид.
Александър Дубов
