Люди часто думают о «молнии в бутылке» как о фантастической метафоре, но редко представляют себе, что еще можно сделать дальше, если это действительно будет сделано. Теперь исследователи из Северо-Западного университета не только «поймали молнию» в лаборатории, но и используют ее для создания более чистого топлива — метанола. Они используют плазму, содержащуюся в стеклянных трубках, для прямого преобразования метана в метанол, что значительно снижает зависимость традиционных процессов от энергии и экстремальных условий труда.
Метанол – это базовое химическое вещество, имеющее широкий спектр применения. Это важное сырье для производства некоторых пластмасс и кислот, а также его можно использовать в качестве чистого топлива для автомобилей, кораблей и кухонных плит. Он также широко используется в промышленных растворителях и очистке сточных вод. Однако нынешний основной маршрут производства метанола в отрасли чрезвычайно энергозатратен и сложен, а отправной точкой также является газ метан. В традиционном процессе метан сначала расщепляется на углекислый газ и водород в высокотемпературном водяном паре при температуре около 800 градусов по Цельсию, а затем рекомбинируется посредством каталитической реакции с образованием молекул метанола в другом устройстве при высоком давлении от 200 до 300 атмосфер. Хотя технология этого маршрута отработана, поддержание такой высокой температуры и давления потребляет много энергии и выделяет большое количество углекислого газа, что противоречит все более ужесточающимся требованиям по сокращению выбросов.
Научное сообщество искало более простую и менее энергоемкую альтернативу, но само производство метанола представляет собой еще один уровень трудностей. Конечно, разложить метан в суровых условиях непросто. Даже если метанол будет успешно произведен, его молекулы сами по себе чрезвычайно реакционноспособны и могут легко продолжать реагировать и далее окисляться до углекислого газа. Это означает, что процесс должен не только «разбить» метан, но и «нажать на тормоза» в нужный момент, чтобы вовремя прекратить процесс реакции, чего в технике добиться непросто.
В ответ на эти две ключевые задачи команда Северо-Западного университета предложила новую систему, которую можно назвать «молнией в бутылке». Вместо того, чтобы полагаться на экстремальные температуры и давления, исследователи используют короткие электрические импульсы высокой энергии в реакторе, наполненном водой, для создания плазмы – высокоэнергетического состояния материи, похожего на молнию – в стеклянной трубке. Внутри реактора газообразный метан подается в пористую стеклянную трубку, а на поверхность стенки трубки наносится катализатор из оксида меди; при подаче электрического импульса высокого напряжения газ в трубке мгновенно преобразуется в плазму, в результате чего молекулы метана и воды одновременно разрушаются с образованием высокореактивных фрагментов.
Эти фрагменты за очень короткое время рекомбинируются с образованием метанола, а вода в реакторе немедленно «растворяет» образовавшийся метанол. Исследовательская группа отметила, что это быстрое поглощение имеет решающее значение, что эквивалентно «замораживанию» реакции в идеальном узле, чтобы предотвратить дальнейшее окисление метанола в углекислый газ, что принципиально позволяет обойти проблему чрезмерной реакции, которая неизбежна в традиционных процессах.
Для дальнейшего повышения эффективности команда также ввела в систему аргон. Аргон химически крайне инертен в обычных условиях, но в плазменной среде участвует в реакциях, способствующих стабилизации процесса разряда и подавлению нежелательных побочных реакций. В этом рабочем режиме селективность системы по метанолу значительно улучшается, а также образуется небольшое количество ценных побочных продуктов, таких как водород и этилен.
Дейн Суерер, соавтор статьи, сказал, что помимо метанола система также производит этилен и водород, а также небольшое количество пропана, которые сами по себе являются более ценными химическими веществами или топливом. Этилен является важным мономером-прекурсором для производства пластмасс, а водород является ключевым химическим веществом и безуглеродным топливом. Он подчеркнул: "Мы использовали очень большое количество метана в обмен на метанол, этилен, водород и небольшое количество пропана. Эти продукты сами по себе более ценны с экономической точки зрения".
В целом эта технология рассматривается как важный шаг вперед в области производства метанола. Во-первых, это принципиально устраняет необходимость в экстремальных температурах и давлениях, значительно снижая производственные затраты, потребление энергии и воздействие на окружающую среду. Во-вторых, новый процесс сжимает исходный многостадийный и сложный процесс примерно до одностадийной реакции: метан напрямую преобразуется в метанол в той же системе, минимизируя при этом бесполезные или вредные побочные продукты.
В настоящее время это устройство «молния в бутылке» все еще находится в лабораторных масштабах, но если его удастся успешно масштабировать в будущем, ожидается, что оно позволит реализовать распределенную систему для конверсии метана на месте. Исследователи предполагают, что такие устройства могут быть развернуты в отдаленных местах или местах с утечками метана, чтобы преобразовывать этот обильный, но высокоэффективный парниковый газ непосредственно в ценные промышленные химикаты. Свеллер отметил, что в настоящее время традиционный метод борьбы с утечкой метана заключается в поджигании его на месте и превращении метана в углекислый газ. Хотя парниковый эффект несколько ниже, чем у метана, он все равно усугубит потепление климата. А если небольшой реактор направить непосредственно к источнику утечки, то сгоревший метан можно превратить в транспортабельное жидкое топливо.
Далее команда продолжит оптимизировать производительность системы и изучить способы эффективного извлечения и разделения продуктов метанола высокой чистоты. Соответствующие результаты исследования опубликованы в журнале Американского химического общества.