Ածխածնի երկօքսիդից մեթանի արտադրություն: Մթնոլորտային ածխաթթու գազ օգտագործող ընկերությունը սկսում է մեթանի արտադրություն Ածխածնի երկօքսիդից մեթանի սինթեզ

Ֆերմերները տարեկան բախվում են գոմաղբի հեռացման խնդրին. Դրա հեռացումն ու թաղումը կազմակերպելու համար անհրաժեշտ զգալի միջոցները վատնում են։ Բայց կա մի միջոց, որը թույլ է տալիս ոչ միայն խնայել ձեր գումարը, այլև այնպես անել, որ այս բնական արտադրանքը ծառայի ձեզ ի շահ ձեզ:

Խնայող սեփականատերերը վաղուց են գործնականում կիրառել էկոտեխնոլոգիա, որը հնարավորություն է տալիս գոմաղբից կենսագազ ստանալ և դրա արդյունքն օգտագործել որպես վառելիք:

Հետևաբար, մեր նյութում մենք կխոսենք կենսագազի արտադրության տեխնոլոգիայի մասին, ինչպես նաև կխոսենք այն մասին, թե ինչպես կարելի է կառուցել կենսաէներգետիկ կայան։

Պահանջվող ծավալի որոշում

Ռեակտորի ծավալը որոշվում է՝ ելնելով ֆերմայում արտադրվող գոմաղբի օրական քանակից: Անհրաժեշտ է նաև հաշվի առնել հումքի տեսակը, ջերմաստիճանը և խմորման ժամանակը։ Որպեսզի տեղադրումն ամբողջությամբ աշխատի, տարան լցվում է ծավալի 85-90%-ով, առնվազն 10%-ը պետք է ազատ մնա, որպեսզի գազը դուրս գա:

Օրգանական նյութերի տարրալուծման գործընթացը մեզոֆիլ կայանում միջինը 35 աստիճան ջերմաստիճանում տևում է 12 օրից, որից հետո ֆերմենտացված մնացորդները հանվում են և ռեակտորը լցվում է ենթաշերտի նոր մասով։ Քանի որ թափոնները մինչև ռեակտոր ուղարկելը նոսրացվում են ջրով մինչև 90%, ուստի օրական բեռը որոշելիս պետք է հաշվի առնել նաև հեղուկի քանակը:

Ելնելով տրված ցուցանիշներից՝ ռեակտորի ծավալը հավասար կլինի պատրաստված ենթաշերտի օրական քանակին (գոմաղբ ջրով) բազմապատկած 12-ով (կենսազանգվածի քայքայման համար անհրաժեշտ ժամանակը) և ավելացված 10%-ով (տարայի ազատ ծավալը)։

Ստորգետնյա կառույցի կառուցում

Հիմա եկեք խոսենք ամենապարզ տեղադրման մասին, որը թույլ է տալիս ստանալ այն ամենացածր գնով: Մտածեք ստորգետնյա համակարգ կառուցելու մասին: Այն պատրաստելու համար անհրաժեշտ է փոս փորել, դրա հիմքը և պատերը լցված են երկաթյա ընդլայնված կավե բետոնով:

Մուտքի և ելքի բացերը գտնվում են խցիկի հակառակ կողմերում, որտեղ տեղադրված են թեք խողովակներ՝ հիմքը մատակարարելու և թափոնների զանգվածը դուրս մղելու համար:

Մոտավորապես 7 սմ տրամագծով ելքային խողովակը պետք է տեղակայված լինի բունկերի գրեթե ամենաներքևում, դրա մյուս ծայրը տեղադրված է ուղղանկյուն փոխհատուցող տանկի մեջ, որի մեջ թափոնները կտեղափոխվեն: Ենթաշերտը մատակարարելու համար խողովակաշարը գտնվում է ներքևից մոտավորապես 50 սմ հեռավորության վրա և ունի 25-35 սմ տրամագիծ: Վերին մասխողովակը մտնում է հումքի ընդունման խցիկ:

Ռեակտորը պետք է ամբողջությամբ կնքված լինի: Օդի ներթափանցման հնարավորությունը բացառելու համար բեռնարկղը պետք է ծածկված լինի բիտումային ջրամեկուսիչ շերտով

Բունկերի վերին մասը գազի պահարան է, որն ունի գմբեթի կամ կոնի տեսք։ Պատրաստված է մետաղյա թիթեղներից կամ տանիքի երկաթից։ Կառույցը կարող եք լրացնել նաև աղյուսով, որն այնուհետև ծածկված է պողպատե ցանցով և սվաղված: Գազի բաքի վերևում դուք պետք է փակ լյուկ պատրաստեք, հանեք ջրի կնիքի միջով անցնող գազի խողովակը և տեղադրեք փական՝ գազի ճնշումը թուլացնելու համար:

Ենթաշերտը խառնելու համար տեղադրումը կարող եք սարքավորել փրփրացող սկզբունքով գործող ջրահեռացման համակարգով: Դա անելու համար կառուցվածքի ներսում ուղղահայաց ամրացրեք պլաստիկ խողովակները, որպեսզի դրանց վերին եզրը գտնվում է ենթաշերտի վերևում: Դրանցում շատ անցքեր արեք: Ճնշման տակ գտնվող գազը ցած կընկնի, իսկ բարձրանալով՝ գազի պղպջակները կխառնեն տարայի կենսազանգվածը:

Եթե ​​դուք չեք ցանկանում կառուցել կոնկրետ բունկեր, կարող եք գնել պատրաստի PVC կոնտեյներ: Ջերմությունը պահպանելու համար այն պետք է շրջապատված լինի ջերմամեկուսիչ շերտով՝ պոլիստիրոլի փրփուրով: Փոսի հատակը լցված է երկաթբետոնի 10 սմ շերտով Պոլիվինիլքլորիդից պատրաստված տանկերը կարող են օգտագործվել, եթե ռեակտորի ծավալը չի ​​գերազանցում 3 մ3:

Եզրակացություններ և օգտակար տեսանյութ թեմայի վերաբերյալ

Ինչպես ստանալ առավելագույնը պարզ տեղադրումսովորական տակառից դուք կիմանաք, եթե դիտեք տեսանյութը.

Ամենապարզ ռեակտորը կարելի է պատրաստել մի քանի օրվա ընթացքում ձեր սեփական ձեռքերով՝ օգտագործելով առկա նյութերը։ Եթե ​​ֆերմա մեծ է, ապա ավելի լավ է գնել պատրաստի տեղադրում կամ դիմել մասնագետների:

Ժամանակի ընթացքում կանաչ տեխնոլոգիաները դառնում են ավելի ու ավելի տարածված: Այս շաբաթվա սկզբին LanzaTech-ը հայտարարեց մոտ 15 հազար լիտր ավիացիոն վառելիքի արտադրության մասին։ Աշխարհում ամեն օր շատ ավելի շատ վառելիք է արտադրվում, բայց սա առանձնահատուկ է, այն ստացվել է արդյունաբերական չինական գործարանների գազային արտանետումներից։ Վառելիքը փոխանցվել է Virgin Atlantic-ին՝ Ռիչարդ Բրանսոնի ընկերություն, և ինքնաթիռը, որը լցված է այս վառելիքով, արդեն կատարել է հաջող թռիչք։

Այս շաբաթ շվեյցարական Climeworks ընկերությունը, որը վերամշակում է մթնոլորտի ածխաթթու գազը, հայտարարեց Իտալիայում գործարան ստեղծելու մասին, որը կսպառի մթնոլորտից CO2 և կարտադրի ջրածին: Վերջինս կօգտագործվի մեթանի արտադրության ցիկլում։

Գործարանն արդեն կառուցված է, այն ստեղծվել է հուլիսին, դրա գործարկումը (առայժմ թեստային ռեժիմում) տեղի է ունեցել անցյալ շաբաթ։ Հասկանալի է, որ այս տեսակի ձեռնարկությունը էժան չէ, և ստարտափի համար հեշտ չի լինի միջոցներ գտնել նման նախագիծ իրականացնելու համար։ Եվրամիությունը գումար գտավ և ֆինանսավորեց նախագիծը։

Սա ընկերության երրորդ գործարանն է, որը վերամշակում է ածխաթթու գազ: Առաջին ձեռնարկությունը շատ մեծ չէր, ավելի շուտ, խոսքը վերաբերում էր փոքր ինստալացիայի ստեղծմանը, որը մթնոլորտից CO2-ն է վերցնում և այն բաց թողնում ջերմոցներում, որտեղ բույսերն ավելի արագ էին զարգանում ածխաթթու գազի կոնցենտրացիաների ավելացման արդյունքում: Երկրորդ գործարանը կառուցվել է Իսլանդիայում, որտեղ CO2-ը գազային վիճակից փոխակերպում է կապվածի: Գազը բառացիորեն «ներարկվում» է հրաբխային ակտիվ շրջանների լիթոսֆերա (իսկ ամբողջ Իսլանդիան, ըստ էության, այդպիսի տարածաշրջան է), որտեղ քիմիապես կապվում է բազալտի հետ։

Ածխածնի երկօքսիդի օգտագործման երկրորդ տարբերակը տեխնիկապես բավականին դժվար է իրականացնել, ուստի ծրագրի իրականացումը որոշակիորեն խնդրահարույց էր։ Այնուամենայնիվ, ընկերության ղեկավարությունը հայտարարեց, որ տեղակայանքները շարունակաբար աշխատել են առանց խափանումների: Հարկ է նշել, որ երկրորդ գործարանի դիզայնը մոդուլային է, այն կարելի է ընդլայնել՝ դրանով իսկ բարձրացնելով գործարանի արտադրողականությունը։

Ինչ վերաբերում է արդյունաբերական ձեռնարկության երրորդ տարբերակին, ապա այն չի աշխատի շուրջօրյա, այլ օրական ընդամենը 8 ժամ։ Դրա նպատակն է ցույց տալ «օդից» վառելիքի արտադրության հնարավորությունը։ Հասկանալի է, որ երբ վառելիքը այրվում է, այն կթողնի ռեակցիայի արտադրանքները, ներառյալ ածխաթթու գազը: Բայց գործարանը նորից ու նորից կընդունի CO2՝ այդպիսով ստեղծելով «տեխնածին ածխաթթու գազի ցիկլ»։ Եթե ​​արտադրությունը մեծանա, ապա ծավալով կավելանան նաև C02-ի սպառումը և ինքնաթիռների համար վառելիքի արտադրությունը։

Առայժմ կայանի տեղադրումը ներառում է երեք օդային կոլեկտորներ, որոնք ծրագրի ղեկավարների կարծիքով՝ էներգաարդյունավետ են՝ ավելի շատ, քան նախորդ տարբերակները: Տարեկան գործարանը, ընթացիկ աշխատանքների ծավալով, կարող է հավաքել մոտ 150 տոննա ածխաթթու գազ։ Կայանի տեղադրումը թույլ է տալիս ժամում մոտավորապես 240 խորանարդ մետր ջրածին արտադրել՝ օգտագործելով արևային մարտկոցներից ստացված էներգիան:

Ավիացիոն վառելիք՝ արտադրված ածխաթթու գազից

Այնուհետև ջրածինը միացվում է CO2-ի հետ (այն նաև մեկուսացված է մթնոլորտային օդից)՝ օգտագործելով կատալիզատորներ։ Այս գործողությունը կատարող ռեակտորը մշակել է ֆրանսիական Atmostat ընկերությունը։ Մեթանը մաքրվում և օգտագործվում է արդյունաբերական կարիքների համար: Այն հետո ճնշման տակ վերածվում է հեղուկի և օգտագործվում արդյունաբերական նպատակներով:

Թեև գործարանն արդեն գործում է, այն տնտեսապես արդյունավետ չէ: Ցավոք, եկամտաբերության ճանապարհը երկար է։ Ինչպես նշվեց վերևում, արտադրությունը կարող է տարեկան «հեռացնել» ընդամենը մոտ 150 տոննա ածխաթթու գազ։ Իսկ մթնոլորտ այս նյութի արտանետումների տարեկան ծավալը կազմում է 30-40 գիգատոն, և այդ ցուցանիշն ամեն օր ավելանում է։

Ինչ էլ որ լինի, արտադրությունը դեռ գործում է, և ներդրողները ակնհայտորեն հետաքրքրված են այս տեխնոլոգիայով. ընկերությունը վերջերս փակեց ևս մեկ փուլ՝ ստանալով մոտ 30,8 միլիոն դոլար:

«Climeworks»-ը նմանատիպ նախագծերով զբաղվող ընկերություն է։

Մրջնաթթուն, որի բանաձևը HCOOH է, ամենապարզ մոնոկարբոքսիլաթթուն է։ Ինչպես պարզ է նրա անունից, դրա հայտնաբերման աղբյուրը կարմիր մրջյունների բնորոշ սեկրեցներն էին։ Քննարկվող թթուն մրջյունների կողմից արտազատվող թունավոր նյութի մի մասն է: Այն նաև պարունակում է այրվող հեղուկ, որն առաջանում է մետաքսի թրթուրների խայթոցից։

Մաթնաթթվի լուծույթն առաջին անգամ ստացվել է հայտնի անգլիացի գիտնական Ջոն Ռեյի փորձերի ժամանակ։ Տասնյոթերորդ դարի վերջում նա անոթի մեջ խառնեց ջուրն ու կարմիր անտառային մրջյունները։ Այնուհետև անոթը տաքացնում էին մինչև եռալ, և դրա միջով տաք գոլորշու հոսք էր անցնում։ Փորձի արդյունքը ջրային լուծույթի արտադրությունն էր, որի տարբերակիչ հատկանիշը խիստ թթվային ռեակցիան էր։

Անդրեաս Սիգիզմունդ Մարգգրաֆին հաջողվեց ստանալ մաքուր մածուցիկ թթու XVIII դարի կեսերին: Անջուր թթուն, որը ստացել է գերմանացի քիմիկոս Յուստուս Լիբիգը, համարվում է միաժամանակ ամենապարզ և ամենաուժեղ կարբոքսիլաթթուն։ Ժամանակակից անվանացանկի համաձայն այն կոչվում է մեթանաթթու և չափազանց վտանգավոր միացություն է։

Այսօր ներկայացված թթվի արտադրությունն իրականացվում է մի քանի եղանակներով, այդ թվում՝ մի շարք հաջորդական քայլերով։ Բայց ապացուցված է, որ ջրածինը և ածխաթթու գազը կարող են վերածվել մածուցիկ թթուև վերադառնալ իր սկզբնական վիճակին: Այս տեսության մշակումն իրականացրել են գերմանացի գիտնականները։ Թեմայի արդիականությունն այն էր, որ նվազագույնի հասցվի ածխաթթու գազի մուտքը մթնոլորտային օդ: Այս արդյունքին կարելի է հասնել դրա ակտիվ օգտագործման շնորհիվ՝ որպես օրգանական նյութերի սինթեզի համար ածխածնի հիմնական աղբյուր:

Նորարարական տեխնիկան, որի վրա աշխատել են գերմանացի մասնագետները, ներառում է կատալիտիկ հիդրոգենացում՝ մածուցիկ թթվի ձևավորմամբ։ Ըստ այդմ՝ ածխաթթու գազը դառնում է և՛ հիմնական նյութը, և՛ լուծիչը վերջնական արտադրանքի տարանջատման համար, քանի որ ռեակցիան իրականացվում է գերկրիտիկական CO2-ում։ Այս ինտեգրված մոտեցման շնորհիվ մեթանաթթվի մեկ փուլով արտադրությունը դառնում է իրագործելի։

Ածխածնի երկօքսիդի հիդրոգենացման գործընթացը մեթանաթթվի ձևավորմամբ ներկայումս ակտիվ հետազոտության առարկա է։ Գիտնականների հետապնդած հիմնական նպատակը ձեռք բերելն է քիմիական միացություններհանածո վառելիքի այրման արդյունքում առաջացած թափոններից: Ի լրումն արդյունաբերության տարբեր ճյուղերում մրջնաթթվի լայն կիրառմանը, անհրաժեշտ է նշել դրա մասնակցությունը ջրածնի պահպանմանը: Հնարավոր է, որ արևային մարտկոցներով հագեցած մեքենաների վառելիքի դերը խաղա այս թթուն, որից կատալիտիկ ռեակցիաները թույլ են տալիս ջրածին արդյունահանել։

Միատարր կատալիզի միջոցով ածխաթթու գազից մեթանաթթվի առաջացումը մասնագետների ուսումնասիրության առարկան է եղել 20-րդ դարի 70-ական թվականներից։ Հիմնական դժվարությունը համարվում է հավասարակշռության տեղաշարժը դեպի սկզբնական նյութեր, որը նկատվում է հավասարակշռության ռեակցիայի փուլում։ Խնդիրը լուծելու համար անհրաժեշտ է ռեակցիոն խառնուրդից հեռացնել մածուցիկ թթուն։ Բայց վրա այս պահինդրան կարելի է հասնել միայն այն դեպքում, եթե մեթանաթթուն վերածվի աղի կամ այլ միացության: Հետևաբար, մաքուր թթու կարելի է ստանալ միայն այն դեպքում, եթե կա լրացուցիչ փուլ, որը բաղկացած է այս նյութի ոչնչացումից, որը թույլ չի տալիս հասնել մածուցիկ թթվի ձևավորման անխափան գործընթացի կազմակերպմանը:

Այնուամենայնիվ, Ուոլտեր Լեյթների խմբի գիտնականների կողմից մշակված եզակի հայեցակարգը գնալով ավելի տարածված է դառնում: Նրանք ենթադրում են, որ ածխածնի երկօքսիդի հիդրոգենացման և արտադրանքի մեկուսացման փուլերի ինտեգրումը դրանց իրականացմանը մեկ ապարատի ներսում հնարավորություն է տալիս անխափան դարձնել մաքուր մեթանաթթվի ստացման գործընթացը։ Ինչպե՞ս են գիտնականները հասել առավելագույն արդյունավետության: Դրա պատճառը երկփուլ համակարգի կիրառումն էր, որում շարժական փուլը ներկայացված է գերկրիտիկական ածխածնի երկօքսիդով, ստացիոնար փուլը իոնային հեղուկ է, հեղուկ աղ։ Հարկ է նշել, որ իոնային հեղուկն օգտագործվել է ինչպես կատալիզատորը, այնպես էլ թթուն կայունացնելու համար նախատեսված հիմքը լուծելու համար։ Ածխածնի երկօքսիդի հոսքը այն պայմաններում, երբ ճնշումը և ջերմաստիճանը գերազանցում են կրիտիկական արժեքները, նպաստում է մեթանաթթվի հեռացմանը ռեակցիայի խառնուրդից: Կարևոր է, որ գերկրիտիկական ածխածնի երկօքսիդի առկայությունը չհանգեցնի իոնային հեղուկների, կատալիզատորների կամ հիմքերի տարրալուծմանը` ապահովելով ստացված նյութի առավելագույն մաքրությունը:

Արդյունաբերության մեջ ածխաթթու CO2-ի արտադրության հիմնական մեթոդներն են դրա արտադրությունը որպես մեթան CH4-ը ջրածնի H2 փոխակերպման ռեակցիայի կողմնակի արտադրանք, ածխաջրածինների այրման (օքսիդացում), կրաքարի CaCO3-ի տարրալուծման ռեակցիան՝ կրաքարի CaO-ի և ջրի։ H20.

CO2՝ որպես CH4-ի և այլ ածխաջրածինների գոլորշու վերափոխման կողմնակի արտադրանք ջրածնի H2

Ջրածինը H2-ը պահանջվում է արդյունաբերության կողմից, հիմնականում դրա օգտագործման համար ամոնիակ NH3-ի արտադրության գործընթացում (Haber գործընթաց, ջրածնի և ազոտի կատալիտիկ ռեակցիա); ամոնիակն անհրաժեշտ է հանքային պարարտանյութերի արտադրության համար և ազոտական ​​թթու. Ջրածինը կարող է արտադրվել տարբեր եղանակներով, ներառյալ ջրի էլեկտրոլիզը, որը սիրում են էկոլոգները, սակայն, ցավոք, տրված ժամանակՋրածնի արտադրության բոլոր մեթոդները, բացառությամբ ածխաջրածինների բարեփոխման, բացարձակապես տնտեսապես արդարացված չեն լայնածավալ արտադրության մասշտաբով, եթե արտադրամասում «անվճար» էլեկտրաէներգիայի ավելցուկ չկա: Հետևաբար, ջրածնի արտադրության հիմնական մեթոդը, որի ընթացքում արտազատվում է նաև ածխաթթու գազ, մեթանի գոլորշի ռեֆորմացիան է՝ մոտ 700...1100°C ջերմաստիճանում և 3...25 բար ճնշման դեպքում, առկայության դեպքում։ կատալիզատոր, ջրի գոլորշի H2O-ը փոխազդում է մեթանի CH4-ի հետ՝ սինթեզի գազի արտազատմամբ (գործընթացը էնդոթերմիկ է, այսինքն՝ տեղի է ունենում ջերմության կլանմամբ).
CH4 + H2O (+ ջերմություն) → CO + 3H2

Պրոպանը կարող է գոլորշիով վերափոխվել նմանատիպ եղանակով.
С3H8 + 3H2O (+ ջերմություն) → 2CO + 7H2

Եվ նաև էթանոլ (էթիլային սպիրտ).
C2H5OH + H2O (+ ջերմություն) → 2CO + 4H2

Նույնիսկ բենզինը կարող է գոլորշու բարեփոխվել: Բենզինը պարունակում է ավելի քան 100 տարբեր քիմիական միացություններ, իզոկտանի և տոլուոլի գոլորշու բարեփոխման ռեակցիաները ներկայացված են ստորև.
C8H18 + 8H2O (+ ջերմություն) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ ջերմություն) → 7CO + 11H2

Այսպիսով, այս կամ այն ​​ածխաջրածնային վառելիքի գոլորշու վերափոխման գործընթացում ստացվում է ջրածին և ածխածնի մոնօքսիդ CO (ածխածնի մոնօքսիդ): Ջրածնի արտադրության գործընթացի հաջորդ փուլում ածխածնի մոնօքսիդը կատալիզատորի առկայության դեպքում ենթարկվում է O թթվածնի ատոմը ջրից գազ տեղափոխելու ռեակցիայի = CO-ն օքսիդանում է մինչև CO2, իսկ ջրածինը H2-ն ազատվում է ազատ ձևով։ Ռեակցիան էկզոթերմիկ է՝ ազատելով մոտ 40,4 կՋ/մոլ ջերմություն.
CO + H2O → CO2 + H2 (+ ջերմություն)

Արդյունաբերական պայմաններում ածխածնի երկօքսիդի CO2-ը, որն արտանետվում է ածխաջրածինների գոլորշու բարեփոխման ժամանակ, կարող է հեշտությամբ մեկուսացվել և հավաքվել: Այնուամենայնիվ, CO2-ն այս դեպքում անցանկալի կողմնակի արտադրանք է, պարզապես այն ազատորեն բաց է թողնում մթնոլորտ, թեև այժմ CO2-ից ազատվելու գերակշռող միջոցը բնապահպանական տեսանկյունից անցանկալի է, և որոշ ձեռնարկություններ կիրառում են ավելի «առաջադեմ» մեթոդներ. , ինչպես օրինակ՝ CO2 մղելը դեպի նվազող նավթի հանքավայրեր կամ ներարկվել օվկիանոս:

Ածխաջրածնային վառելիքի ամբողջական այրումից CO2-ի արտադրություն

Այրվելիս, այսինքն՝ օքսիդանալով բավարար քանակությամբ թթվածնով, առաջանում են ածխաջրածիններ՝ մեթան, պրոպան, բենզին, կերոսին, դիզելային վառելիք և այլն, ածխաթթու գազ և սովորաբար ջուր։ Օրինակ, CH4 մեթանի այրման ռեակցիան ունի հետևյալ տեսքը.
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

CO2՝ որպես վառելիքի մասնակի օքսիդացումով H2-ի արտադրության կողմնակի արտադրանք

Աշխարհի արդյունաբերական ճանապարհով արտադրվող ջրածնի մոտ 95%-ը արտադրվում է ածխաջրածնային վառելիքի, հիմնականում բնական գազի մեջ պարունակվող CH4 մեթանի գոլորշու վերափոխման վերը նկարագրված մեթոդով: Ի լրումն գոլորշու վերափոխման, ջրածինը կարող է արտադրվել բավականին բարձր արդյունավետությամբ ածխաջրածնային վառելիքից մասնակի օքսիդացման մեթոդով, երբ մեթանը և այլ ածխաջրածինները փոխազդում են վառելիքի ամբողջական այրման համար անբավարար թթվածնի քանակի հետ (հիշեք, որ ամբողջական այրման գործընթացում. վառելիքի այրումը, որը համառոտ նկարագրված է հենց վերևում, ածխածնի երկօքսիդը ստացվում է CO2 գազ և H20 ջուր): Ստոյխիոմետրիկից փոքր քանակություն թթվածնի մատակարարման դեպքում ռեակցիայի արտադրանքը հիմնականում ջրածին H2 և ածխածնի օքսիդ է, որը նաև հայտնի է որպես ածխածնի մոնօքսիդ CO; ածխածնի երկօքսիդ CO2 և որոշ այլ նյութեր արտադրվում են փոքր քանակությամբ: Քանի որ սովորաբար, գործնականում, այս գործընթացն իրականացվում է ոչ թե մաքրված թթվածնով, այլ օդով, գործընթացի և մուտքի և ելքի մեջ կա ազոտ, որը չի մասնակցում ռեակցիային:

Մասնակի օքսիդացումը էկզոթերմիկ գործընթաց է, այսինքն՝ ռեակցիան առաջացնում է ջերմություն: Մասնակի օքսիդացումը սովորաբար շատ ավելի արագ է ընթանում, քան գոլորշու բարեփոխումը և պահանջում է ռեակտորի ավելի փոքր ծավալ: Ինչպես երևում է ստորև ներկայացված ռեակցիաներից, մասնակի օքսիդացումն սկզբում արտադրում է ավելի քիչ ջրածին մեկ միավոր վառելիքի համար, քան ստացվում է գոլորշու բարեփոխման գործընթացում:

Մեթանի CH4 մասնակի օքսիդացման ռեակցիա.
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ ջերմություն)

Պրոպան C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ ջերմություն)

Էթիլային սպիրտ C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ ջերմություն)

Բենզինի մասնակի օքսիդացում՝ օգտագործելով իզոկտանի և տոլուոլի օրինակը, բենզինում առկա հարյուրից ավելի քիմիական միացություններից.
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ ջերմություն)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ ջերմություն)

CO-ն ածխածնի երկօքսիդի վերածելու և լրացուցիչ ջրածին արտադրելու համար օգտագործվում է թթվածնի հերթափոխի ռեակցիայի ջուր→ գազ, որն արդեն նշված է գոլորշու բարեփոխման գործընթացի նկարագրության մեջ.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ փոքր քանակությամբ ջերմություն)

CO2 շաքարի խմորումից

Խմորիչ խմորից ոգելից խմիչքների և հացաբուլկեղենի արտադրության մեջ օգտագործվում է շաքարների խմորման գործընթացը՝ գլյուկոզա, ֆրուկտոզա, սախարոզա և այլն՝ C2H5OH էթիլային սպիրտի և ածխածնի երկօքսիդի CO2 ձևավորմամբ։ Օրինակ՝ C6H12O6 գլյուկոզայի խմորման ռեակցիան հետևյալն է.
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2

Իսկ ֆրուկտոզայի C12H22O11 խմորումն այսպիսի տեսք ունի.
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2

Wittemann-ի կողմից արտադրված CO2-ի արտադրության սարքավորումներ

Ալկոհոլային խմիչքների արտադրության մեջ ստացված ալկոհոլը խմորման ռեակցիայի ցանկալի և նույնիսկ, կարելի է ասել, անհրաժեշտ արտադրանք է։ Ածխածնի երկօքսիդը երբեմն արտանետվում է մթնոլորտ, իսկ երբեմն թողնում խմիչքի մեջ՝ այն կարբոնացնելու համար: Հացի թխման ժամանակ հակառակն է լինում՝ CO2 անհրաժեշտ է փուչիկների առաջացման համար, որոնք առաջացնում են խմորի բարձրացում, իսկ էթիլային սպիրտը թխելու ընթացքում գրեթե ամբողջությամբ գոլորշիանում է։

Շատ ձեռնարկություններ, հիմնականում թորման գործարանները, որոնց համար CO 2-ը բոլորովին անհարկի կողմնակի արտադրանք է, հիմնել են դրա հավաքագրումն ու վաճառքը: Ֆերմենտացման տանկերից գազը ալկոհոլային թակարդների միջոցով մատակարարվում է ածխածնի երկօքսիդի խանութ, որտեղ CO2-ը մաքրվում է, հեղուկացվում և շշալցվում: Իրականում, շատ շրջաններում ածխաթթու գազի հիմնական մատակարարներն են հենց թորման գործարանները, և նրանցից շատերի համար ածխաթթու գազի վաճառքը ամենևին էլ եկամտի վերջին աղբյուրը չէ:

Գարեջրի գործարաններում և ալկոհոլային գործարաններում (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann և այլն), ինչպես նաև ածխաջրածնային վառելիքից դրա ուղղակի արտադրությունում կա մի ամբողջ արդյունաբերություն: Գազի մատակարարները, ինչպիսիք են «Air Products»-ը և «Air Liquide»-ը, նույնպես տեղադրում են կայաններ՝ CO2-ն առանձնացնելու և այնուհետև այն մաքրելու և հեղուկացնելու համար այն բալոնների մեջ լցնելուց առաջ:

CO2-ը CaCO3-ից չլուծված կրաքարի CaO-ի արտադրության մեջ

Լայնորեն օգտագործվող կենդանի կրաքարի՝ CaO-ի արտադրության գործընթացում կա նաև ածխաթթու գազ՝ որպես ռեակցիայի կողմնակի արտադրանք։ Կրաքարի CaCO3-ի տարրալուծման ռեակցիան էնդոթերմ է, պահանջում է մոտ +850°C ջերմաստիճան և ունի հետևյալ տեսքը.
CaCO3 → CaO + CO2

Եթե ​​կրաքարը (կամ մեկ այլ մետաղի կարբոնատ) փոխազդում է թթվի հետ, ապա ածխաթթու գազ H2CO3 թողարկվում է որպես ռեակցիայի արտադրանքներից մեկը: Օրինակ, աղաթթվի HCl-ը փոխազդում է կրաքարի (կալցիումի կարբոնատ) CaCO3-ի հետ հետևյալ կերպ.
2HCl + CaCO 3 → CaCl 2 + H 2 CO 3

Կարբոնաթթուն շատ անկայուն է, և մթնոլորտային պայմաններում արագ քայքայվում է CO2-ի և ջրի H2O-ի:

Քիմիկոսները պղնձի օքսիդի և ցինկի օքսիդի վրա հիմնված ֆոտոկատալիզատոր են ստեղծել, որը թույլ է տալիս ածխաթթու գազը վերածվել մեթանի, երբ ենթարկվում է: արևի լույս, իսկ նման կատալիզատորի օգտագործումը հնարավորություն տվեց լիովին խուսափել ենթամթերքի առաջացումից։ Հետազոտությունը հրապարակվել է Բնության հաղորդակցություններ.

Մթնոլորտում ածխածնի երկօքսիդի պարունակության աճը կոչվում է մեկը հնարավոր պատճառները գլոբալ տաքացում. Ածխածնի երկօքսիդի մակարդակը ինչ-որ կերպ նվազեցնելու համար գիտնականներն առաջարկում են այն օգտագործել որպես քիմիական աղբյուր այլ ածխածին պարունակող նյութերի փոխակերպման ժամանակ։ Օրինակ, վերջերս մթնոլորտային ածխածնի երկօքսիդի կրճատում է տեղի ունեցել դեպի մեթանոլ: Զարգացման մի քանի փորձ է արվել արդյունավետ ուղիներածխածնի երկօքսիդի վերածումը ածխաջրածնային վառելիքի. Որպես կանոն, դրա համար օգտագործվում են տիտանի (IV) օքսիդի վրա հիմնված կատալիզատորներ, սակայն դրանց օգտագործումը հանգեցնում է մեծ թվով կողմնակի արտադրանքների, մասնավորապես ջրածնի արտադրությանը:

Կորեայից քիմիկոսներն իրենց նոր աշխատանքում առաջարկել են ցինկի օքսիդից և պղնձի (I) օքսիդից բաղկացած ֆոտոկատալիստի նոր կոնֆիգուրացիա, որը թույլ է տալիս մթնոլորտի ածխածնի երկօքսիդը վերածել մեթանի բարձր արդյունավետությամբ: Կատալիզատորը ստանալու համար քիմիկոսներն օգտագործել են պղնձի և ցինկի ացետիլացետոնատներից երկաստիճան սինթեզ։ Արդյունքում հնարավոր եղավ ստանալ ցինկի օքսիդի գնդաձեւ նանոմասնիկներ՝ պատված փոքր խորանարդ պղնձի (I) օքսիդի նանոբյուրեղներով։

Կատալիզատորի նանոմասնիկների սինթեզի սխեմա

Կ.-Լ. Bae et al./Nature Communications, 2017

Պարզվել է, որ նման նանոմասնիկները ֆոտոկատալիզատորներ են ածխաթթու գազը մեթանի վերածելու համար։ Ռեակցիան տեղի է ունենում սենյակային ջերմաստիճանում, երբ լույսով ճառագայթվում է տեսանելի և ուլտրամանուշակագույն շրջաններում ջրային միջավայրում: Այսինքն, այն ներառում է ածխածնի երկօքսիդ, որը նախկինում լուծարվել է ջրի մեջ: Կատալիզատորի ակտիվությունը կազմում էր 1080 միկրոմոլ/ժամ 1 գրամ կատալիզատորի դիմաց: Ստացված գազերի խառնուրդում մեթանի կոնցենտրացիան գերազանցել է 99 տոկոսը։ Կատալիզատորի նման բարձր արդյունավետության պատճառը պղնձի և ցինկի օքսիդներում տիրույթի բացվածքի էներգիաների հարաբերակցությունն է, ինչը հանգեցնում է բաղադրիչների միջև լիցքի ավելի արդյունավետ փոխանցմանը:

Նյութերի կոնցենտրացիայի փոփոխություն ածխաթթու գազը մեթանի վերածելու ժամանակ՝ օգտագործելով առաջարկվող կատալիզատորը

Կ.-Լ. Bae et al./Nature Communications, 2017

Բացի այդ, գիտնականները համեմատել են առաջարկվող կատալիզատորի հատկությունները ամենաարդյունավետ կատալիզատորի հետ, որը նախկինում օգտագործվում էր ածխաթթու գազի փոխակերպման համար: Պարզվեց, որ նույն զանգվածի կատալիզատորը միևնույն ժամանակ թույլ է տալիս արտադրել մոտավորապես 15 անգամ ավելի քիչ մեթան, քան նորը: Բացի այդ, ստացված խառնուրդում ջրածնի պարունակությունը մոտավորապես 4 անգամ գերազանցում է մեթանի պարունակությունը։

Գիտնականների խոսքով՝ իրենց առաջարկած կատալիզատորը կարող է օգտագործվել ոչ միայն ածխաթթու գազի արդյունավետ փոխակերպման համար մեթանի, այլ նաև տեղեկատվության աղբյուր է ֆոտոկատալիզատորների մասնակցությամբ նման ռեակցիաների մեխանիզմների մասին։

Մթնոլորտում ածխաթթու գազի քանակությունը նվազեցնելու համար օգտագործվում են նաև այլ մեթոդներ: Օրինակ, վերջերս Իսլանդիայի էլեկտրակայաններից մեկում կար մի մոդուլ, որը գրավում է մթնոլորտի ածխաթթու գազը:

Ալեքսանդր Դուբով