Как углекислый газ сделать топливом
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 19.09.2024
Ученые из Нидерландов предложили использовать процесс электровосстановления CO2 для производства широкого спектра полезных продуктов буквально из воздуха. Это позволит сократить выбросы углекислого газа в разы. Руководитель исследовательской группы Мин Ма (Ming Ma) поясняет: улавливание и использование углерода принесло бы больше пользы, чем широко распространенное сегодня улавливание и хранение углерода. Последний процесс включает в себя выделение CO2 из промышленных и энергетических источников, транспортировку к месту хранения и долгосрочную изоляцию. Предполагается, что такая стратегия помогает бороться с глобальным потеплением, а также загрязнением окружающей среды.
Однако улавливание и использование углерода имеет гораздо большие перспективы. Оно подразумевает электрохимическое восстановление CO2 до различных веществ (от спиртов до топлива).
По словам ученых, диоксид углерода (CO2) можно превратить в монооксид углерода (CO, он же угарный газ), метан (CH4), этилен (C2H4) и даже жидкие продукты, такие как муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH3OH) и этанол (C2H5OH).
Углеводороды с высокой плотностью энергии можно использовать в качестве топлива, а также в качестве исходного сырья в процессе Фишера-Тропша. Это химическая реакция, которая применяется в промышленности для превращения монооксида углерода (CO) и водорода (H2) в различные жидкие углеводороды, такие как метанол или синтетическое топливо (например, дизельное).
Мин Ма и его коллеги исследовали, что происходит на наноуровне, когда в процессе электровосстановления CO2 участвуют различные металлы. В результате ученые пришли к выводу, что можно производить любой продукт на основе углерода или его комбинаций с другими веществами в любом желаемом соотношении. К примеру, при использовании смеси платины и золота можно в относительно больших количествах получать муравьиную кислоту (HCOOH), которая может найти применение в топливных элементах.
Ученые из Института катализа имени Борескова в Новосибирске также придумали способ переработки атмосферного углекислого газа в синтетическое газовое топливо.
Американские инженеры тоже предложили получать топливо из углекислого газа. Группа инженеров из MIT под руководством Сяо-Ю Ву (Xiao-Yu), Рональда Крейна (Ronald C. Crane) и Ахмеда Гониема (Ahmed Ghoniem) разработала мембранную методику переработки углекислого газа в моноксид углерода, который можно использовать как топливо и сырье для химической промышленности.
Мембрана не пропускает моноксид углерода и другие газы — только кислород. Пропуская через такую мембрану продукты реакции термического разложения углекислого газа, можно получать кислород и газовую смесь с высокой концентрацией CO. Эту смесь можно использовать как топливо саму по себе или в смеси с водородом; возможно также использование в химической промышленности для получения метана, метанола и других видов топлива. В лаборатории ученые уже опробовали некоторые из перечисленных подходов.
Процесс получения CO из CO2 остается энергозатратным, но авторы разработки предлагают устранить этот недостаток, устанавливая мембраны непосредственно на установках, в которых в больших количествах сжигается углеводородное топливо; тогда энергия, необходимая для реакции, будет поступать непосредственно от реактора. Гонием описывает возможность применения мембраны на электростанциях, которые работают на природном газе. Основной продукт его сжигания — углекислый газ, поэтому ученые предлагают делить природный газ на два потока. Газ первого потока сжигать для получения электроэнергии и направлять образовавшийся CO2 в камеру для разложения на CO и O2, а газ второго потока использовать для связывания кислорода. Такой метод может снизить выбросы углекислого газа в атмосферу.
Все вышеописанные технологии требуют доработки, и ученые ищут наиболее эффективные решения, ведь перспектива превращения углекислого газа в полезные продукты выглядит привлекательнее, чем его захоронение.
Атмосфера Марса почти полностью состоит из углекислого газа. По словам Ву, астронавты могли бы сэкономить половину топлива, необходимого им для обратного путешествия домой, сделав то, что им нужно, на красной планете, как только они прибудут.
"Это как заправочная станция на Марсе. Вы могли бы легко прокачивать углекислый газ через этот реактор и производить метан для ракеты", - сказал Ву.
Исследование Калифорнийского университета было опубликовано в журнале Nature Communications совместно с сотрудниками Университета Райса, Шанхайского университета и Восточно-Китайского университета науки и техники.
Ву начал свою карьеру в области химической инженерии с изучения топливных элементов для электромобилей, но около 10 лет назад начал изучать конверсию углекислого газа в своей лаборатории химической инженерии.
"Я понял, что парниковые газы станут большой проблемой", - сказал Ву. "Многие страны осознали, что углекислый газ является большой проблемой для устойчивого развития нашего общества. Вот почему я думаю, что нам нужно достичь углеродной нейтральности".
Администрация Байдена поставила цель достичь 50% - ного сокращения выбросов парниковых газов к 2030 году и экономики, основанной на возобновляемых источниках энергии, к 2050 году.
"Это означает, что нам придется перерабатывать углекислый газ", - сказал Ву.
Ву и его ученики, в том числе ведущий автор Калифорнийского университета Тянью Чжан, экспериментируют с различными катализаторами, такими как графеновые квантовые точки - слои углерода размером всего в нанометры, - которые могут увеличить выход метана.
Ву сказал, что этот процесс обещает помочь смягчить последствия изменения климата. Но он также имеет большое коммерческое преимущество в производстве топлива в качестве побочного продукта.
"Этот процесс в 100 раз продуктивнее, чем был всего 10 лет назад. Так что вы можете себе представить, что прогресс будет приходить все быстрее и быстрее", - сказал Ву. "В ближайшие 10 лет у нас будет много начинающих компаний, которые будут коммерциализировать эту технику".
Студенты Ву используют различные катализаторы для получения не только метана, но и этилена. Этилен, называемый самым важным химическим веществом в мире, используется в производстве пластмасс, резины, синтетической одежды и других изделий.
"Зеленая энергия будет очень важна. В будущем она будет представлять собой огромный рынок. Поэтому я хотел поработать над этим", - сказал Чжан.
Синтез топлива из углекислого газа становится еще более коммерчески выгодным в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная или ветровая энергия, сказал Ву.
"Прямо сейчас у нас есть избыток зеленой энергии, которую мы просто выбрасываем. Мы можем хранить этот избыток возобновляемой энергии в химических веществах", - сказал он.
Этот процесс масштабируется для использования на электростанциях, которые могут генерировать тонны углекислого газа. И это эффективно, так как конверсия может происходить прямо там, где образуется избыток углекислого газа.
Ву сказал, что успехи в производстве топлива из углекислого газа делают его более уверенным в том, что люди ступят на Марс при его жизни.
"Прямо сейчас, если вы хотите вернуться с Марса, вам нужно будет взять с собой в два раза больше топлива, которое очень тяжелое", - сказал он. "В будущем вам понадобятся другие виды топлива. Таким образом, мы можем производить метанол из углекислого газа и использовать его для производства других материалов, идущих дальше по энергетической лестнице. Тогда, может быть, однажды мы сможем жить на Марсе".
Авторы: Ким Сен Гук, д.х.н., академик ЕАЕН, академик МАФО
Мамбетерзина Гульнара, к.х.н., академик ЕАЕН
Ким Дилара, климатолог
Предисловие
Это вопрос жизни и смерти не только человечества, но всего живого на Земле. Авторитетные мировые аналитики утверждают, что запасов нефти и газа хватит не более чем на 60-70 лет, угля же по их данным на 600 и более лет. Возобновляемые источники энергии имеют хорошую перспективу, но энергия на их основе не сможет заменить традиционные источники энергии.
Отсутствие возможности сбалансировать их работу без накопительных устройств делает их неприемлемыми для основной генерации, только для дополнительной. Поэтому угольная электроэнергетика в решении энергетической проблемы развития цивилизации будет продолжать играть основную роль. Вопрос только в экологических проблемах. Как совместить противоречащие друг другу экологическую и энергетическую проблемы? Ответ может дать химия горения углекислого газа в электрическом поле высокой напряжённости.
Разложение углекислого газа в электрическом поле высокой напряжённости
Рассмотрим разложение молекул углекислого газа при малых энергозатратах. Пусть в некотором реакционном объеме содержится газообразный СО2. В этом объеме имеется электродная система из заземленного анода и катода из тонких (~10 мкм в диаметре) нитей, на который подается высокое отрицательное напряжение (до 100 и более кВ). При подаче высокого отрицательного напряжения с тонких нитей катода происходит автоэлектронная эмиссия. Один вылетающий из катода электрон (е) заряжает (ионизирует) одну молекулу СО2 по схеме:
При этом выделяется энергия сродства молекулы CO2 к электрону, равная 43,2 кДж/моль. Выделяемую энергию будем обозначать знаком (+), т.е. +43.2 кДж/моль.
Отрыв электрона от предыдущего иона (СO2) — сопровождается поглощением энергии сродства молекулы CO2 и выделением энергии сродства к электрону другого объекта ионизации, у которого наиболее высокая энергия сродства к электрону, поскольку при выделении более высокой энергии система принимает энергетически более выгодное (стремление к минимуму энергии) состояние. Более высокая энергия сродства у атома углерода, +199,2 кДж/моль. Поэтому перезарядка идет на атом углерода по схеме:
Энергетический эффект перезарядки составляет: — 43,2 + 199,2 = + 156 кДж/моль.
После такой диссоциации и перезарядки молекула кислорода, как нейтральная частица, покидает наночастицу, и наночастица оказывается сгруппированной вокруг иона C — . При дальнейшем росте наночастицы накапливаемой адсорбционной (конденсационной) энергии может быть достаточно для новой перезарядки от иона C — к иону CO2 — (изначально базовому структурообразователю наночастицы) по схеме:
Очевидно, энергетический эффект такой перезарядки составляет: — 199,2 + 43,2 = — 156 кДж/моль, т.е. по величине такая же, как и в процессе (3), но с противоположным знаком.
Дальнейший рост наночастицы накапливает достаточно конденсационной энергии, чтобы в ядре наночастицы произошла очередная диссоциация иона CO2 — на атом углерода и молекулу кислорода:
Диссоциация (5) сопровождается энергетическим эффектом — 392,9 + 43,2 = — 349,7 кДж/моль и перезарядкой:
с энергетическим эффектом в — 43,2 + 199,2 = + 156 кДж/моль и вылетом молекулы кислорода за пределы наночастицы. Затем происходит перезарядка:
Далее два атома углерода в ядре наночастицы соединяются:
и в дальнейшем, как нейтральные частицы, могут покинуть наночастицу, или могут наращиваться очередными атомами углерода в ядре наночастицы до достижения наночастицей анода и разрядки ее на нем. Дальнейшие процессы могут быть различные, но здесь важно, то, что завершается некий базовый цикл превращений в наночастице. Процесс (9) сопровождается выделением энергии связи C-C, равной + 605 кДж/моль.
Суммируя правые и левые части переходов (1) – (9), можно записать итоговый переход:
По рассмотренной же схеме затратить энергии нужно почти в 655 раз меньше или всего 0.15% от необходимой энергии. Такую энергию предоставляет устройство сепарации и расщепления дымового углекислого газа. В проведенных экспериментах были выявлены частицы выделившегося углерода размером до 0,2 мм. Их структура была аналогична структуре сажи. Но сажи быть не могло, потому что ничего не горело, а углекислый газ использовался баллонный.
Мы рассматриваем способ не отбора и захоронения углекислого газа, а его повторное использование в качестве дополнительного топлива в угольной электростанции, путём возврата части дыма, обогащённого углекислым и другими парниковыми газами. В горящих углях возвращённый в топку углекислый газ превращается в угарный газ, который сгорает. Такой возврат части дымовых парниковых газов будет непрерывным и образуется некий оборотный дым, который сокращает выбросы в атмосферу парниковых газов с одновременным повышением эффективности (КПД) угольной электростанции.
Организация потока оборотного дыма, обогащённого парниковыми газами, начинается с их отделения от трубного дыма. В существующей технологии утилизации углекислого газа используются специальные мембраны, пропускающие молекулы углекислого газа, но не проницаемые для молекул других газов в трубном дыме. Эти мембраны не дешевы, имеют ограниченный ресурс работоспособности и для нормального функционирования требуют специальных установочных и рабочих условий, например, разница давлений в пространстве отбора и в объёме забора углекислого газа. Для непрерывного переменного потока дыма организация стабильной работы мембран сложна.
Атом углерода может соединиться с другим таким же атомом и выделить энергию на порядок большую суммы накапливаемой конденсационной энергии, что может привести к цепной реакции разложения молекул углекислого газа. Так может происходить образование наночастиц углерода из наноскоплений углекислого газа. Наночастицы углерода могут собираться в микрочастицы, видимые невооружённым глазом. В опытах наблюдалось выпадение частиц углерода размером до 0,2 мм.
Чем больше межэлектродное расстояние между отрицательным эмиттером электронов и положительным (заземлённым) корпусом, тем больше вероятность образования микрочастиц углерода. Потому что больше времени для электростимулированой конденсации молекул углекислого газа на заряженные наночастицы до их разряда на положительном электроде.
Структура выпавших частиц углерода была аналогична структуре сажи. Но сажи быть не могло, потому что ничего не горело. Исследования проводились с целью разработки технологии локального сокращения атмосферного углекислого газа, и в экспериментах использовался баллонный углекислый газ.
Ниже представлена схема испытательного стенда по использованию оборотного дыма для снижения выбросов парниковых газов при одновременном повышении эффективности (КПД) угольной топки.
Слева внизу изображена топка в форме квадрата. В топку снизу через воздуховод поступает воздух на решетку с горящим углём. Между слоями располагается керамический газовод, к которому подсоединяется выход из электрополевого сепаратора-расщепителя парниковых газов. Обогащённый парниковыми газами оборотный дым поступает к горящему слою угля, где на раскалённых углях происходит образование угарного газа из углекислого газа по реакции:
Обязательно присутствующие в дыме пары воды на горящих углях образуют водяной газ с молекулами водорода. Вместе с угарным газом по реакции (11) этот водяной газ образует смешанный газ. Моноокись углерода смешанного газа в этой зоне загорается по реакции:
А водород смешанного газа загорается по реакции:
Продукты сгорания угля и смешанного газа поступают в дымоходную трубу в правом верхнем углу топки. Четырьмя стрелками показан выход дыма (в основном: N2, CO2, NO2, N2O) в трубу.
В трубу вмонтирован сепаратор-расщепитель молекул парниковых газов. По оси цилиндрического сепаратора-расщепителя молекул установлен вертикальный металлический стержень с электронноэмиттирующим слоем, на который подаётся высокое отрицательное напряжение относительно заземлённой внешней стенки сепаратора-расщепителя.
Схема организации оборотного дыма для сокращения выбросов парниковых газов и повышения кпд угольной топки.
На стенке сепаратора-расщепителя имеются отверстия, куда выходят парниковые газы, а также микро и наночастицы углерода, образованные при расщеплении молекул углекислого газа. Они выходят в цилиндрический объём вокруг стенки сепаратора-расщепителя с отверстиями. От этого цилиндрического объёма вниз к газоводу в топку организован трубчатый газопровод, с таким расчётом, чтобы весь отделённый парниковый газ вместе с микро и наночастицами углерода поступил к раскалённым углям топки, где наночастицы углерода сжигаются.
Углекислый газ в сепараторе-расщепителе расщепляется по реакции (11), и сгорает по реакции (12). Не весь углекислый газ отделяется от дыма в сепараторе-расщепителе парниковых газов. Доля сепарированных парниковых газов зависит от многих факторов: величины подаваемого высокого напряжения, скорости дымового потока, расстояния между электродами, температуры дыма, содержания паров воды в дыме. Эта величина может варьироваться в широких пределах от 2 до 60 процентов.
Для определённости возьмём величину 25%. Это означает, что с использованием высоковольтного сепаратора-расщепителя молекул углекислого газа выбросы в атмосферу этого парникового газа сокращаются на 25%. Это довольно большое сокращение выбросов углекислого газа. В истории промышленного производства электроэнергии тепловыми электростанциями такого сокращения выбросов углекислого газа удалось добиться только с использованием газовых турбин, работающих на сжигании метана (природного газа).
Следует заметить, что сокращение выбросов в атмосферу углекислого газа и сопутствующие повышения КПД взяты при заниженной доле оборотного дыма только в 25% основного потока дыма. Доля оборотного дыма в реальных условиях может доходить до 50%. Тогда в перспективе развития комбинированной электростанции на угле и смешанном генераторном и водяном газе от сжигания угля КПД может превысить 60%.
Вывод
Углекислый газ из труб электростанций, металлургических заводов, цементных заводов, химических заводов, … может стать топливом не только бесплатным, но и выгодно продаваемым на рынке международных карбоновых квот, устанавливаемых в рамках борьбы с Глобальным Потеплением климата.
Проблема выброса в атмосферу парниковых газов заботит ученых уже давно. Наибольшую обеспокоенность вызывает углекислый газ, поскольку его вклад в глобальный парниковый эффект уступает лишь вкладу водяного пара. И здесь даже не так уж важно, идет ли речь об антропогенных выбросах, то есть тех, что вызваны деятельностью человека, или о природных источниках эмиссии углекислого газа — ведь увеличение его содержания в атмосфере в любом случае способствует глобальному потеплению, и с этим что-то надо делать!
Две проблемы — одно решение
Однако теперь — благодаря работам группы американских химиков — перед экологами, климатологами, а заодно и энергетиками открылись совершенно новые перспективы. Потому что технология, разработанная профессором Стэнфордского университета Мэтью Кэнаном (Matthew Kanan) и его коллегами, не только позволяет превратить вредные выбросы углекислого газа в нечто полезное и даже ценное, но и облегчает переход от традиционной углеводородной энергетики к энергетике зеленой.
Катализатор для получения этанола
Тот самый этанол, то есть этиловый спирт, который подмешивают, например, к автомобильному бензину. Правда, на заправочных станциях в Германии доля этанола в бензине не превышает 10%, но, скажем, в США или Швеции достигает 85, а в Бразилии — даже 100%. Так что спрос на это топливо налицо.
Вместо водорода на катоде этанол
Чудо-катализатор калифорнийских ученых — это медь, но не просто медь, а наночастицы меди, вернее, нанокристаллы. Обычные наночастицы получают осаждением металла из термически разлагаемой газовой фазы, при этом образуется неупорядоченная структура. Профессор Кэнан поступил иначе: взяв за основу электрод из твердого оксида меди, он путем его химического восстановления получил строго упорядоченное покрытие из медных нанокристаллов. Электролизная ячейка калифорнийских исследователей представляет собой сосуд с водой, которая постоянно насыщается окисью углерода. Если в сосуд опустить стандартные электроды и подать на них напряжение, начнется разложение воды, на аноде будет собираться кислород, на катоде — водород. Но использование катода из нанокристаллов меди позволило вместо восстановления воды до водорода добиться восстановления окиси углерода до этанола.
Это даже не потребовало более или менее высокого напряжения, а эффективность электролиза (так называемая эффективность Фарадея) составила 57%, что более чем в 10 раз превосходит показатель, достигнутый на обычных медных катализаторах.
Механизм непонятен, но перспективы впечатляют
Читайте также: