Новый реактор может вдвое сократить выбросы углекислого газа при производстве аммиака

Чтобы прокормить более чем 7 миллиардов голодных людей, человечество полагается на проверенный процесс Хабера-Боша, который превращает азот из воздуха и метан из природного газа в аммиак - исходный материал для удобрений.

В этом процессе выделяется более 450 млн тонн углекислого газа (CO₂) ежегодно - это составляет около 1% всех выбросов  и больше, чем любая другая промышленная химическая реакция. Новый керамический реактор может сократить эти выбросы вдвое. Если его можно будет масштабировать, новый метод также поможет снизить рыночную цену на удобрения, упрощая их производство на небольших химических предприятиях, расположенных поблизости от мест их использования.

Сокращение выбросов от одного из самых грязных производств

«Я очень впечатлен», - говорит Картиш Мантирам, инженер-химик из Массачусетского технологического института в Кембридже, который не принимал участия в работе. Изобретенный в начале 1900-х годов, процесс Хабера-Боша использует три отдельных реактора для производства водорода из метана, а затем объединяет этот метан с азотом для получения аммиака. Но новый подход объединяет все три реактора в один. «Такая оптимизация сокращает потребление энергии и производства CO₂» , - говорит Мантирам.

Первая часть стандартного трехступенчатого метода получения аммиака известна как паровая конверсия метана. В нем пар и метан смешиваются с твердым никелевым катализатором при высоком давлении и температуре до 1000 ° С. Катализатор ускоряет химические реакции, которые разрушают пар и метан и производят молекулярный водород (H₂) и окись углерода (CO). Затем второй реактор преобразует СО и пар в более доброкачественные СО₂ и H₂. Наконец, третий реактор преобразует водород и азот в аммиак. Но H₂, созданный в первом реакторе, замедляет работу никелевого катализатора.

Чтобы катализатор работал с более высокой скоростью, Василийос Кириаку, инженер-химик из Нидерландского института фундаментальных энергетических исследований в Эйндховене, и коллеги из Греции нашли конструкцию реактора, которая удаляет атомы водорода, как только они выделяются из молекул метана. Они создали тонкую керамическую трубку, в которой пар и метан смешиваются, как обычно. Никелевый катализатор на внутренней поверхности трубки производит положительно заряженные ионы водорода, электроны и СО₂. СО₂ вытекает из трубки как выхлопной газ, а подведенное электричество проводит отрицательно заряженные электроны через провод ко второму катализатору, покрывающему внешнюю поверхность трубки.

Отрицательный заряд вытягивает положительно заряженные ионы водорода через стенку керамической мембраны к наружной поверхности трубки. Это перемещение ионов позволяет катализатору внутри цилиндра работать с большей скоростью. Это также позволяет протекать реакции при температуре около 600 ° С, температуре, при которой в качестве побочного продукта образуется только СО₂, а не СО, который необходимо обрабатывать дальше.

Между тем, на внешней поверхности трубки второй катализатор, который содержит ванадий, азот и железо, приводит к тому, что ионы водорода, электроны и молекулы азота вводятся по отдельности, образуя аммиак, и все это происходит при атмосферном давлении. Меньшее количество энергии, необходимое для стимулирования реакции, позволило команде создать аммиак всего с половиной объема СО₂, который обычного получается при паровом риформинге метана.

Кириаку отмечает, что второй катализатор также генерирует некоторое количество H₂, в дополнение к более ценному NH₃. Исследователи использовали этот H₂, подавая его в топливный элемент, который объединяет водород с кислородом для производства воды и электричества, последний из которых они использовали для управления своим керамическим аммиачным реактором. В настоящее время Кириаку говорит, что катализатор синтеза аммиака на наружной поверхности трубы все еще не достаточно быстрый, чтобы сделать процесс конкурентоспособным по отношению к паровой конверсии метана. Однако, по его словам, он и его коллеги уже ищут улучшенные катализаторы, которые помогут им избавится от одного из самых распространенных химических процессов, когда-либо изобретенных. опубликовано econet.ru по материалам sciencemag.org

Подписывайтесь на наш youtube канал!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet