Метан из биомассы. Компания, которая утилизирует атмосферный углекислый газ, запускает производство метана Метан из углекислого газа

Опубликовано: 31.12.2016 11:32

Получение метана из углекислого газа - процесс, требующий лабораторных условий. Так, в 2009 году, в Университете Пенсильвании (США) было произведено получение метана из воды и углекислого газа с помощью нанотрубок, состоящих из TiO 2 (диоксида титана) и содержащих примесь азота. Для получения метана исследователи произвели размещение воды (в парообразном состоянии) и углекислого газа внутри металлических контейнеров, закрытых крышкой с нанотрубками с внутренней стороны.

Процесс получения метана таков - под действием света Солнца внутри трубок возникали частицы, переносящие электрический заряд. Такие частицы разделяли молекулы воды на ионы водорода (Н, которые потом соединяются в молекулы водорода Н 2) и гидроксильные радикалы (частицы -ОН). Далее в процессе получения метана происходило расщепление углекислого газа на угарный газ (СО) и кислород (О 2). В конце угарный газ реагирует с водородом, результатом чего является получение воды и метана.

Обратная реакция - получение углекислого газа происходит в результате парового деформирования метана - при температуре в 700-1100оС и давлении 0,3-2,5Мпа.

Руководители Института индустриальных наук (Institute of Industrial Science) Токийского университета, Национального института науки и передовых технологий (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST), компаний Hitachi Zosen Corp, JGC Corp и EX Research Institute Ltd 18 ноября 2016 года приняли решение об организации новой объединенной научно-исследовательской группы "CCR (carbon capture & reuse) Study Group". Эта группа займется разработкой крупномасштабных технологий, при помощи которых можно будет получать жидкое и газообразное топлив о, к примеру, метан, используя для этого атмосферный углекислый газ и водород, полученный путем электролиза при помощи энергии от экологически чистых возобновляемых источников.

В первую очередь эта группа займется исследованиями, направленными на увеличение эффективности использования энергии, получаемой из возобновляемых источников, эффективности технологий выделения углекислого газа из атмосферы и его дальнейшего использования и разработкой новых, более современных методов получения водорода из воды путем электролиза.

В основе будущих технологий будут лежать достаточно известные физические процессы и химические превращения, реализованные на современном технологическом уровне. Углекислый газ, попадающий в атмосферу при сжигании любого типа ископаемого топлива, будет реагировать с водородом. Этот водород будет получен методом электролиза, а требующаяся для этого энергия будет поступать исключительно из экологически чистых источников, в основном от солнечных и ветряных электростанций.

Данная технология рассматривается не только в качестве чистого источника жидкого и ископаемого топлива. Еще одной функцией такой технологии станет сохранение в виде топлива излишков энергии, получаемой от солнечных и ветряных электростанций в часы ее минимального потребления.

Группа CCR будет иметь дело со всеми существующими видами возобновляемых источников чистой энергии. Помимо этого, будут исследоваться и разрабатываться новые эффективные методы получения водорода, выделения углекислого газа и превращения его в топливо.

Работа над всеми исследуемыми и разрабатываемыми технологиями будет вестись с двух позиций. Первой позицией будет создание малогабаритных, возможно мобильных установок не очень большой мощности, которые смогут обеспечить газообразным метаном потребности некоей отдельной небольшой группы людей (децентрализованная модель). А вторым направлением станет разработка крупномасштабных производственных систем, которые будут иметь достаточно высокую мощность и которые могут быть включены в общую энергетическую сеть страны (централизованная модель).

Муравьиная кислота , формула которой – HCOOH, представляет собой простейшую монокарбоновую кислоту. Как становится понятно из ее названия, источником ее обнаружения стали характерные выделения рыжих муравьев. Рассматриваемая кислота входит в состав ядовитого вещества, выделяемого жалящими муравьями. Также она ее содержит жгучая жидкость, которую образуют жалящие гусеницы шелкопряда.

Впервые раствор муравьиной кислоты был получен в ходе опытов известного английского ученого Джона Рея. В конце семнадцатого столетия он смешал в сосуде воду и рыжих лесных муравьев. Далее сосуд был нагрет до кипения, и через него пропущена струя горячего пара. Итогом эксперимента стало получение водного раствора, отличительной характеристикой которой являлась сильнокислая реакция.

Добиться получения чистой муравьиной кислоты удалось в середине восемнадцатого столетия Андреасу Сигизмунду Маргграфу. Безводная кислота, которая была получена немецким химиком Юстусом Либихом, считается наиболее простой и сильной карбоновой кислотой одновременно. Согласно современной номенклатуре, она носит название метановой кислоты и является чрезвычайно опасным соединением.

На сегодняшний день получение представленной кислоты осуществляется несколькими способами, включающими ряд последовательных этапов. Но доказано, что водород и углекислый газ способны превращаться в муравьиную кислоту и возвращаться в исходное состояние. Разработка данной теории велась немецкими учеными. Актуальность темы состояла в минимизации поступления углекислого газа в атмосферный воздух. Добиться такого результата позволяет его активное использование в качестве главного источника углерода для синтезирования органических веществ.

Инновационная методика, над которой работали немецкие специалисты, предполагает осуществление каталитического гидрирования с образованием муравьиной кислоты. Согласно ей, углекислый газ становится одновременно базовым материалом и растворителем для отделения конечного продукта, так как реакция проводится в сверхкритическом СО2. Благодаря указанному интегрированному подходу становится реальным одностадийное получение метановой кислоты.

Процесс гидрирования углекислого газа с образованием метановой кислоты на сегодняшний день относится к объектам активного исследования. Основная цель, которую преследуют ученые, – получение химических соединений из отходов, которые образуются вследствие сгорания ископаемого топлива. Помимо широкого распространения муравьиной кислоты в различных отраслях необходимо отметить ее участие в хранении водорода. Не исключено, что роль топлива для автотранспорта, оснащенного солнечными батареями, будет играть эта кислота, извлечь водород из которой позволяют каталитические реакции.

Образование метановой кислоты из углекислого газа путем гомогенного катализа является предметом изучения специалистов с 70-х годов двадцатого столетия. Главной трудностью считается смещение равновесия в сторону исходных веществ, которое наблюдается на стадии равновесной реакции. Чтобы решить возникшую проблему, требуется удаление муравьиной кислоты из состава реакционной смеси. Но на данный момент этого удастся достичь только при условии преобразования метановой кислоты в соль либо другое соединение. Следовательно, получить чистую кислоту можно лишь при наличии дополнительной стадии, заключающейся в разрушении данного вещества, что не позволяет достичь организации бесперебойного процесса образования муравьиной кислоты.

Однако все более популярной становится уникальная концепция, разработкой которой занимаются ученые из группы Уолтера Ляйтнера. Они предполагают, что интеграция стадий гидрирования углекислого газа и выделения продукта с их осуществлением в пределах одного аппарата дает возможность сделать процесс получения чистой метановой кислоты бесперебойным. Каким образом ученым удалось добиться максимальной эффективности? Причиной тому стало применение двухфазной системы, в которой подвижная фаза представлена сверхкритическим углекислым газом, стационарная фаза – ионной жидкостью, жидкой солью. Следует отметить, что ионная жидкость использовалась для растворения как катализатора, так и основания, призванного стабилизировать кислоту. Поступление потока углекислого газа в условиях, когда давление и температура превышают критические цифры, способствует удалению метановой кислоты из состава реакционной смеси. Немаловажно, что присутствие сверхкритического углекислого газа не приводит к растворению ионных жидкостей, катализатора, основания, обеспечивая максимальную чистоту получаемого вещества.

, взрывоопасные газы , парниковый эффект

Часто этот взрывоопасный газ называют «болотным». Всем известен его специфический запах, но на самом деле это — специальные добавки «с запахом газа», которые добавляются для того, чтобы его распознать. При сгорании он практически не оставляет вредных продуктов. Помимо всего прочего, этот газ довольно активно участвует в образовании всем известного парникового эффекта.

Газ, обычно связанный с живыми организмами. Когда в атмосферах Марса и Титана обнаружился метан, у ученых появилась надежда на то, что на этих планетах существует жизнь. На Красной планете метана немного, а вот Титан буквально «залит» им. И уж если не для Титана, то для Марса биологические источники метана столь же вероятны, как и геологические. Метана много на планетах-гигантах - Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне, где он возник как продукт химической переработки вещества протосолнечной туманности. На Земле он редок: его содержание в атмосфере нашей планеты - всего 1750 частей на миллиард по объему (ppbv).

Источники и получение метана

Метан - простейший углеводород, бесцветный газ без запаха. Его химическая формула - CH 4 . Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты со специфическим «запахом газа». Основной компонент природных (77-99%), попутных нефтяных (31-90%), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана - болотный или рудничный газ).

На 90–95% метан имеет биологическое происхождение. Травоядные копытные животные, такие как коровы и козы, испускают пятую часть годового выброса метана: его вырабатывают бактерии в их желудках. Другими важными источниками служат термиты, рис-сырец, болота, фильтрация естественного газа (это продукт прошлой жизни) и фотосинтез растений. Вулканы вносят в общий баланс метана на Земле менее 0,2%, но источником и этого газа могут быть организмы прошлых эпох. Промышленные выбросы метана незначительны. Таким образом, обнаружение метана на планете типа Земли указывает на наличие там жизни.

Метан образуется при термической переработке нефти и нефтепродуктов (10-57% по объёму), коксовании и гидрировании каменного угля (24-34%). Лабораторные способы получения: сплавление ацетата натрия со щелочью, действие воды на метилмагнийиодид или на карбид алюминия.

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и калия) или безводного гидроксида натрия с уксусной кислотой. Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

Свойства метана

горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1м 3 . С воздухом образует взрывоопасные смеси . Особую опасность представляет метан, выделяющийся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых в горные выработки, а также на угольных обогатительных и брикетных фабриках, на сортировочных установках. Так, при содержании в воздухе до 5–6% метан горит около источника тепла (температура воспламенения 650-750 °С), от 5–6% до 14–16% взрывается, свыше 16% может гореть при притоке кислорода извне. Снижение при этом концентрации метана может привести к взрыву. Кроме того, значительное увеличение концентрации метана в воздухе бывает причиной удушья (например, концентрации метана 43% соответствует 12% O 2).

Взрывное горение распространяется со скоростью 500-700 м/сек; давление газа при взрыве в замкнутом объёме равно 1 Мн/м 2 . После контакта с источником тепла воспламенение метана происходит с некоторым запаздыванием. На этом свойстве основано создание предохранительных взрывчатых веществ и взрывобезопасного электрооборудования. На объектах, опасных из-за присутствия метана (главным образом, угольные шахты), вводится т.н. газовый режим.

При 150-200 °С и давлении 30-90 атм метан окисляется до муравьиной кислоты.

Метан образует соединения включения - газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Применение метана

Метан - наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо и как сырьё для промышленности . Так, хлорированием метана производят метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, четырёххлористый углерод.

При неполном сгорании метана получают сажу , при каталитическом окислении - формальдегид , при взаимодействии с серой - сероуглерод .

Термоокислительный крекинг и электрокрекинг метана- важные промышленные методы получения ацетилена .

Каталитическое окисление смеси метана с аммиаком лежит в основе промышленного производства синильной кислоты. Метан используют как источник водорода в производстве аммиака, а также для получения водяного газа (т. н. синтез-газа): CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 , применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и др. Важное производное метана - нитрометан .

Автомобильное топливо

Метан широко используется в качестве моторного топлива для автомобилей. Однако плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20-25 МПа (200-250 атмосфер). Для хранения газа в таком состоянии используются специальные баллоны, которые устанавливаются на автомобилях.

Метан и парниковый эффект

Метан является парниковым газом . Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание в атмосфере метана росло очень быстро на протяжении последних двух столетий.

Сейчас среднее содержание метана CH 4 в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million , частей на миллион). И, хотя это в 200 раз меньше, чем содержание в ней углекислого газа (CO 2), в расчете на одну молекулу газа парниковый эффект от метана - то есть его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей - существенно выше, чем от СО 2 . Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов - СO 2 , паров воды, метана и некоторых других примесей средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C , а сейчас она около +15°C.

Метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана - высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.