Парниковый эффект — одна из наиболее острых проблем современности, связанная кроме прочего с растущей концентрацией углекислого газа в атмосфере Земли. Ученые давно ищут различные способы переработки CO2. Один из вариантов — преобразование в метан, синтетическое газовое топливо.
Из-за работы транспорта, тепловых электростанций, металлургической промышленности в атмосферу выделяется большое количество углекислого газа, который оказывает негативное влияние на состояние окружающей среды. «Утилизировать» излишний CO2 можно благодаря альтернативным источникам энергии — ветровым и солнечным электростанциям. Природные ресурсы не иссякнут, но они очень нестабильны: ветер может и не появиться, когда нужно, чтобы произвести больше электроэнергии. Однако это не единственный минус таких систем.
— Допустим, у нас есть ветрогенератор, входящий в энергосеть, — поясняет научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН кандидат химических наук Жанна Веселовская. — Если сильный порыв дует ночью, появляется избыток электроэнергии, потому что потребителей в такое время немного. Ее надо как-то запасти — например, преобразовав в топливо, которое можно долго хранить.
Первый этап такого процесса — электролиз воды, итогом которого является выделение водорода и кислорода, причем последний поступает обратно в атмосферу. H2 — экологически чистое топливо, но с ним есть сложности: водород в сравнении, например, c метаном гораздо более взрывоопасен и требует немало усилий для хранения. Поэтому и нужен второй этап преобразования — применение реакции Сабатье, в которой водород взаимодействует с углекислым газом при повышенной температуре в присутствии катализатора. В результате получаются метан (CH4) и вода.
— Выходит, полученный благодаря электролизу водород используется для преобразования в метан, при сжигании которого снова вырабатывается энергия — только уже не электрическая, а тепловая, — рассказывает Жанна Веселовская. — Энергия в этом топливе хранится в форме химических связей, и ее можно использовать по мере потребности. Инфраструктура для таких технологий уже существует — способные транспортировать CH4 на большие расстояния газопроводы, хранилища, система доставки к конечному потребителю. Метан может быть использован и для транспорта, хотя сейчас в автомобилях привычнее применять бензиновые и дизельные двигатели. Например, в Германии уже есть развитая инфраструктура метановых заправок, и автоконцерн «Ауди» даже разработал автомобиль, двигатель которого рассчитан на CH4.
Особенность предложенной новосибирскими учеными идеи заключается в том, что углекислый газ предлагается брать непосредственно из воздуха — вместо того чтобы поглощать из дыма тепловых электростанций, работающих на углеводородном топливе. Там высокая концентрация углекислого газа, и это удобно, но возникает проблема с его транспортировкой к месту производства водорода. Поэтому проще получать CO2 прямиком из воздуха, что можно делать в любой точке планеты.
Однако для этого необходим еще один важный элемент — материал (сорбент), позволяющий сконцентрировать CO2, так как его содержание в воздухе относительно невелико. Сорбент также должен не бояться воды, присутствующей в воздухе, и отдавать углекислый газ после того, как его поглотит, — такой процесс называется регенерацией материала. Для этого сорбент необходимо нагреть до определенной температуры — в идеале невысокой для большей экономии энергии.
— Мы использовали карбонат калия (K2CO3), — добавляет Жанна Веселовская. — Он относится к хемосорбентам, образующим химические соединения при взаимодействии с поглощаемым веществом. У них высокая емкость и селективность в сравнении с обычными сорбентами — ведь в воздухе немало других газов, которые нужно отделять.
Однако у кристаллического карбоната калия есть один недостаток — низкая скорость сорбции. Чтобы это исправить, активный компонент — карбонат калия — необходимо диспергировать (измельчить), так как у множества маленьких частиц доля поверхностных атомов больше, и, соответственно, они более реакционноспособны. Здесь на помощь приходит пористый носитель (в данном случае — на основе оксида алюминия), который пропитывается активным компонентом.
— K2CO3 нужен, чтобы сконцентрировать углекислый газ из воздуха, а носитель здесь — как губка с наноразмерными порами: в них и закрепляется карбонат калия, — поясняет исследовательница. — Когда эта система взаимодействует с воздухом при комнатной температуре, углекислый газ вступает в реакцию с частицами активного компонента внутри носителя и образует фазы, которые содержат больше CO2. Помимо прочего, носитель улучшает прочностные характеристики и механическую стабильность сорбента.
Таким образом, материал нагревается, чтобы отдать углекислый газ, после чего сконцентрированный CO2 смешивается с уже полученным при электролизе водородом и отправляется в реактор, где находится катализатор метанирования — никелевый или рутениевый. Инженерные решения для исполнения могут быть разными: например, в проточный адсорбер помещен сорбент, а нагретый газ из него идет в отдельный реактор с катализатором.
— Разработанный нами материал хорошо себя показал в сравнении с другими, — подытоживает Жанна Веселовская. — Его еще нужно оптимизировать: сейчас температура регенерации составляет 300 °С, а ее уменьшение даст возможность снизить затраты. Говоря о новизне нашей работы, на развитие которой был дан грант РНФ, следует отметить: тот факт, что карбонат калия взаимодействует с углекислым газом на воздухе, хорошо известен и открыт не нами. Сорбенты на основе карбоната калия тоже изучались ранее. Вместе с тем, работ по применению этих материалов для сорбции углекислого газа из воздуха практически не было — равно как и по совмещению технологии концентрирования атмосферного CO2 с его последующим метанированием.
Получаемое топливо можно использовать для обогрева помещений или заправки транспортных средств. Технология потенциально позволяет производить метан там, где расположен электрогенератор, работающий от альтернативного источника энергии. Это будет очень ценно в труднодоступных районах, куда топливо из-за особенностей местности доставлять сложно и дорого.
Оценили 6 человек
6 кармы