Metaani tootmine süsihappegaasist. Kuidas toota sõnnikust biogaasi: ülevaade tootmistehase põhiprintsiipidest ja disainist
Puidust metaani tootmiseks tellitud installatsioonide maailmas on tänaseks lõpule viidud vaid üksikud projektid. Esimesed tulemused lubavad loota tõsist läbimurret selles suunas.
Artikli “Metaan biomassist” valemeid vt
Metaan CH4 on värvitu ja lõhnatu gaas, mis on õhust peaaegu kaks korda kergem. Looduses moodustub see lagunemise tulemusena ilma taime- ja loomaorganismide jäänuste õhu juurdepääsuta. Seetõttu leidub seda näiteks märgalades ja söekaevandustes. Metaani sisaldab märkimisväärses koguses maagaas, mida kasutatakse tänapäeval laialdaselt kütusena igapäevaelus ja tööstuses.
Üks kiiremini arenevaid tehnoloogiaid taastuvatest allikatest energia tootmise vallas on tänapäeval biometaani tootmine anaeroobse kääritamise teel ja selle edasine tarnimine võrkudesse, mille kaudu tarnitakse maagaasi tarbijateni. Hoolimata selle tehnoloogia abil biometaani tootmise kõrgetest kuludest (8-10 eurosenti 1 kWh kohta), kasvab selle tootmiseks mõeldud käitiste arv pidevalt. 2009. aastal töötas Saksamaal juba 23 klassikalist (sõnniküttel töötavat) biogaasijaama, mis toidavad gaasi olemasolevatesse maagaasitorustikesse, ja veel 36 on ehitamisel või planeerimisel. Selle näitaja kasvu põhjuseks on 2004. aastal Saksamaal vastu võetud taastuvenergia seadus (Erneuerbare Energien Gesetz – EEG), mida muudeti 2009. aastal ning mis võimaldab gaasimüüjatel pakkuda oma klientidele taastuvatest allikatest saadavat gaasi ja saada riigilt toetusi elektri tootmiseks. taastuvatest energiaallikatest (RES).
Maailma esimene tehas, mis toodab puidust SNG-gaasi
Austria linn Güssing. Esiplaanil on metaani tootmisüksus
Biometaani saadakse klassikalise ja nüüdseks laialdaselt kasutatava skeemi järgi taimsetest substraatidest (näiteks maisist), seakomplekside lägast, veisesõnnikust, kanasõnnikust jne. Sellist metaani biomassist saab selle anaeroobse lagunemise (käärimise) teel. ). Anaeroobsel kääritamisel orgaaniline aine (looduslikud jäätmed) laguneb hapniku puudumisel. See protsess toimub kolmes etapis, mis hõlmavad kahte erinevat bakterirühma. Esimeses etapis muudetakse ensümaatilise hüdrolüüsi tulemusena keerulised orgaanilised ühendid (rasvhapped, valgud, süsivesikud) lihtsamateks ühenditeks. Teises etapis puutuvad lihtühendid kokku anaeroobsete (või hapet moodustavate) bakterite rühmaga, mille tulemusena moodustuvad peamiselt lenduvad rasvhapped. Kolmandas etapis muudetakse orgaanilised happed rangelt anaeroobsete (või metaani moodustavate) bakterite toimel süsinikdioksiidiks ja metaaniks. Pärast seda etappi saadakse metaaniga rikastatud gaas (biogaas), mille kütteväärtus on 5340-6230 kcal/m 3 .
Tahkest biomassist, näiteks puidust, toodetud „ersatzgasil“ on sõnnikust ja allapanust saadava biogaasi ees märkimisväärne eelis: sellise gaasi tootmisega tegelejate käsutuses on muljetavaldavad kogused saetööstuse, metsaraie ja puidutöötlemise jäätmeid. Lisaks kõiguvad Euroopa turul saeveski ja puidutöötlemisjäätmete hinnad erinevalt biogaasi tootmiseks kasutatavate põllumajandustoodete hindadest palju vähem. Ei tohi unustada, et põllumajandustoodete (teravili, mais, raps jne) kasutamine biogaasi tootmiseks toob lõppkokkuvõttes kaasa kõrgemad hinnad toiduaineturgudel. Lisaks on keemilise reaktsiooni heitsoojus kõrgem temperatuur võrreldes klassikaliste biogaasijaamade kääritusreaktsioonide heitsoojuse temperatuuriga. Sellest järeldub, et puidu metaneerimisprotsesside käigus vabanevat soojusenergiat saab efektiivsemalt kasutada piirkondlikus soojusvarustuses. Samuti on oluline, et erinevalt klassikalistest biogaasijaamadest ei tekiks puidust metaani tootvate jaamade käitamisel ebameeldivaid lõhnu. Lisaks võtavad need paigaldised palju vähem ruumi kui klassikalised ja võivad asuda linnaaglomeraatides.
Tehnoloogiad
Põllumajanduslikest substraatidest kääritamise (anaeroobse kääritamise) teel leviva biometaani tootmise tulemus tänapäeval on biometaan, mis koosneb peamiselt metaanist ja süsihappegaasist. Seejärel tuleb biometaan läbida spetsiaalse ettevalmistuse ja maagaasi kvaliteedi rafineerimise CO 2 eraldamise teel. Soojuskadu kääritamise ajal piirab kogu protsessiahela efektiivsust. Kasutegur on 50-60%.
Sünteetilise maagaasi (Substitute Natural Gas – SNG) tootmisel süsinikku sisaldavatest tahketest kütustest nagu kivisüsi või biomass (puit) saadakse protsessi esimeses etapis pärast termilist gaasistamist nn sünteetilist gaasi, millest alates. mis pärast puhastamist kõikvõimalikest lisanditest (peamiselt süsihappegaasist ning väävli- ja klooriühenditest) sünteesitakse metaan. See eksotermiline protsess toimub temperatuurivahemikus 300–450 °C ja rõhul 1–5 baari sobiva katalüsaatori juuresolekul. Sel juhul tekivad järgmised reaktsioonid:
Vaadake valemeid jaotisest
Vastupidiselt anaeroobsele kääritamisele saavutab biomassi termiline gaasistamine suurema efektiivsuse, kuna SNG tootmise heitsoojust saab alati kohapeal kasutada.
Põhimõtteliselt on metaani tootmine sünteesgaasist, aga ka vesiniku (H 2) ja süsinikmonooksiidi (CO) gaasisegudest väga vana tehnoloogia. Prantsuse keemik Paul Sabatier leiutas meetodi metaani tootmiseks, mis sai tema järgi nime: Sabatier reaktsioon või Sabatier protsess (prantsuse: Sabatier--Reaktion). 1912. aastal sai ta selle eest Nobeli keemiaauhinna. See protsess hõlmab vesiniku reaktsiooni süsinikdioksiidiga kõrgendatud temperatuuril ja rõhul nikkelkatalüsaatori juuresolekul metaani saamiseks. Tõhusama katalüsaatorina saab kasutada ruteeniumi alumiiniumoksiidiga.
Protsessi kirjeldatakse järgmise keemilise reaktsiooniga:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O.
Kuna mõlemad reaktsioonid on väga eksotermilised, laguneks katalüsaator temperatuurini 600 °C kuumutamisel ilma erimeetmeteta reaktorite jahutamiseks või retsirkuleerimiseks. Lisaks nihkub kõrgetel temperatuuridel H 2 ja CO termodünaamiline tasakaal, nii et piisavalt kõrge metaani saagis on saavutatav ainult temperatuuril alla 300 °C.
Gaasistamistehnoloogia loodi juba 1800. aastatel linnade valgustamiseks vajaliku sünteetilise gaasi tootmiseks, mida kasutati ka jahutusvedelikuna kodu- ja tööstuslikel eesmärkidel (metallurgia, aurumasinad jne). Nii kivisüsi kui ka taimne biomass ja selle töödeldud tooted (süsi) allutati gaasistamisele.
Söe gaasistamise põhiprotsessi kasutamine sünteetiliste kemikaalide ja kütuste tootmiseks algas 1920. aastatel Mülheim an der Ruhris (Saksamaa) asuvas Kaiser Wilhelmi söeuuringute instituudis. Selles instituudis leiutasid Franz Fischer ja Hans Tropsch meetodi sünteesgaasi (syntees) tootmiseks Saksamaal kivisöest vedelkütuse tootmiseks. Fischeri-Tropschi protsess ehk Fischer-Tropschi süntees (FTS) on keemiline reaktsioon, mis toimub katalüsaatori (raud, koobalt) juuresolekul, mille käigus tekib süsinikmonooksiidi (CO) ja vesiniku (H2) segu, mis on sünteesgaas , muundatakse mitmesugusteks vedelateks süsivesinikeks. Saadud süsivesinikud puhastatakse, et saada sihtsaadus - sünteetiline õli. Süsinikdioksiid ja süsinikmonooksiid tekivad söe ja/või puitkütuse osalisel oksüdatsioonil.
Fischer-Tropschi protsessi kirjeldatakse järgmise keemilise võrrandiga:
CO + 2H2 → -CH2 - + H2O
2CO + H2 → -CH2 - + CO2.
Pärast söe või tahke süsiniku sisaldavate jäätmete gaasistamist saadud süngaasi saab kasutada otse kütusena, ilma Fischer-Tropschi protsessi kaudu edasise muundamiseta. Seega on gaasilt vedelkütusele üleminek üsna lihtne. Teise maailmasõja ajal Saksamaal kasutati Fischer-Tropschi sünteesi kaheksas tehases sünteetilise diislikütuse tootmiseks (umbes 600 tuhat tonni aastas). Projekti rahastas täielikult riik. Pärast II maailmasõja lõppu Saksamaal suleti kõik need tehased ja osaliselt koos tehnikaga eksporditi reparatsioonidena USA-sse ning sealt levitati üle maailma. Samal ajal on Lõuna-Aafrika Vabariigis ettevõte South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL) alustas Saksa tehnoloogiat kasutades sünteetilist kütust ja toodab tänaseni oma neljas Lõuna-Aafrika tehases ja ühes Kataris asuvas tehases üle 200 tuhande barreli naftaekvivalenti vedelaid süsivesinikke aastas. Lõuna-Aafrika oli pikka aega ainus riik maailmas, kus CFT protsessi arendati. Kuid pärast 1973. aasta kriisi hakkasid paljude riikide (eriti USA ja Saksamaa) ülemaailmsed nafta- ja energiaettevõtted huvi tundma nii sünteetiliste vedelkütuste kui ka loodusliku sünteesgaasi tootmise vastu.
Loodusliku sünteesgaasi tootmiseks on välja töötatud mitmeid projekte, kuid ainult üks neist on edukalt ellu viidud tööstuslikus mastaabis. 1984. aastal käivitas Great Plains Synfuels Plant (Dakotagas Company) Ameerika Ühendriikides pruunsöe metaneerimistehase, mis toodab tänapäevani maagaasivõrku juhitavat sünteetilist maagaasi. Tehase ööpäevane võimsus on 3,9 miljonit m3 SNG-d.
Samuti on asjakohane meenutada Nõukogude Liidu kogemust, kus 1920. aastate lõpust kuni 1950. aastateni töötasid gaasitootmisjaamad gaasilise mootorikütuse tootmiseks puitu (küttepuud ja puusüsi) ja turvast. 1929. aastal ehitati NSV Liidus esimene suur turbal töötav gaasijaam ning järgnevatel aastatel ehitati suurettevõtete juurde veel mitmeid sarnaseid jaamu. Puidugaasi tootmist kasutati peamiselt transpordikütuseks. Pärast Lääne-Siberi arengu algust ja maailma suurimate sinise kütuse leiukohtade avastamist unustati NSV Liidus gaasitootmine kahjuks teenimatult unarusse.
Metaani tootmine puidust
Gaasistamisel muudetakse biomass keemilise valemiga CH n O m esmalt vesinikust ja süsinikmonooksiidist koosnevaks sünteesgaasiks. Biomassi metanatsioonireaktsiooni stöhhiomeetrilisest üldvõrrandist summa valemiga
CH 1,23 O 0,38 + 0,5025 H2O → 0,55875 CH4 + 0,44125 C2O
sellest järeldub, et metaanireaktorisse tuleb juhtida vett või veeauru ning sealt eemaldada süsihappegaas. Siin on mitu võimalust: kas CO 2, nagu tööstusliku sünteesi puhul, eemaldatakse sünteesgaasist otse metaanreaktorist või, nagu biogaasi valmistamisel (käärimisel), pärast metaneerimisprotsessi, juba rafineerimata sünteetilisest maagaasist. . Esimese meetodi eeliseks teiste ees on see, et juba puhastatud gaas siseneb metaneerimistsüklisse. Teise meetodi eelisteks on see, et metaanireaktor suudab töötada liigse veeauruga, mis vähendab oluliselt süsiniku teket.
Nendes valdkondades tehakse tööd Paul Scherreri Instituudis (Šveits), mis osales eelkõige programmi kirjutamisel biomassist metaani tootmiseks uute tehnoloogiate abil (katalüütiliselt aktiivsetes keerisekihtides) EL BioSNG raames. projekt. Seda tehnoloogiat rakendati Austrias Gussingi linna soojuselektrijaamas. 2009. aastal tööle pandud metaani sünteesijaam on 1 MW võimsusega ja töötab hakkepuidul. Praegu arutatakse 30 MW projekti puidust metaani tootmiseks Göteborgis, Rootsis. Sarnaseid töid tehakse Saksamaal (Stuttgart, ZSW), Hollandis (Energy Research Center, ECN) ja Grazi tehnikaülikooli soojustehnika instituudis (Austria) koostöös ettevõttega Agnion Pfaffenhofen an der Ilmis. (Saksamaa).
Biomassist metaani sünteesi efektiivsus
Metaani tootmisel protsessi igas faasis, nagu igas sünteesiprotsessis, on kaod vältimatud. Eksotermiliste reaktsioonide toimumisel eemaldatakse soojus, mille energiasisaldus valmissünteesiproduktis ei saa olla suurem kui keemiliselt seotud energia sünteesiprotsessi käigus. Metaneerimise puhul tähendab see, et ainult ligikaudu 60% kasutatud biomassist saadavast energiast jääb valmistootesse – SNG-sse.
Kuid kuna tagasilükatud kuumuse kõrge temperatuur on 200–400 °C, saab seda kohapeal kasutada. Sel põhjusel muutuvad eriti tulusaks väikesed metaani sünteesitehased, kuna on võimalik lahendada heitsoojuse kasutamise küsimus 100%, näiteks eramajapidamiste, talude kütmiseks, kasutamiseks kuivatuskompleksides jne. ainult gaasistamise ja metaneerimise heitsoojus, aga ka veeauru kondenseerumissoojus rafineerimata sünteesigaasis, mis sisaldab kuni 50% veeauru. Üldine kasutegur sellise soojuse täiskasutuse ja sellest tuleneva SNG müügiga gaasivõrku ja gaasihoidlatesse on ligi 95%. Selliste projektide tasuvusaeg on vaid paar aastat.
Tulenevalt asjaolust, et maagaasi saab alati kasutada oluliselt suurema kasuteguriga kui tahkete biomassi kütustega, on tahkete biokütuste otsepõletamisest otstarbekam kasutada puidust saadavat metaani. Põhjus: maagaasi kasutamisel elektrienergia tootmiseks gaasi- või auruturbiinelektrijaamas saadakse kuni 60% elektrist ning biomassist tahkekütuse põletamisel on väga raske teostada projekte, mille elektritoodang on üle 30%. . Samuti on detsentraliseeritud elektritootmise korral kuni 1 mW/h sünteesgaasi kasutavad koostootmisgaasielektrijaamad efektiivsemad kui orgaanilise tsüklilise protsessi (ORC-protsess) ja tahket biokütust põletavad soojuselektrijaamad.
Selliste soojuselektrijaamade töö põhineb suure molekulmassiga töövedeliku (termiline õli, orgaanilised aurustuvad ained) termodünaamilise tsirkulatsiooniprotsessi (ORC - orgaaniline järjestustsükkel) tsüklite jadal. Tsirkulatsioonipump pumpab töövedeliku kõrge temperatuuriga orgaanilise jahutusvedeliku soojusvahetisse, kus see aurustub. Vedelik aur juhib turbiini, misjärel see siseneb järgmisesse soojusvahetisse, kus see jahutatakse vee või õhuga ja kondenseerub. Kondensaat siseneb tsirkulatsioonipumba kollektorisse ja termodünaamiline tsükkel (ORC) kordub. Jahutusvedelik ega jahutusvedelik ei puutu otseselt kokku turbiini ega töövedelikuga. Läbi ORC protsessi saavutavad soojuselektrijaamad suure võimsuse, usaldusväärse töö ja kuluefektiivsuse.
Isegi ainuüksi soojusenergia tootmine biometaani kasutamisel on konkurentsivõimeline tavapäraste soojuse tootmismeetoditega. Kui puidu metaneerimise protsessi jääksoojust kasutatakse kohapeal (detsentraliseeritult) ja toodetud gaas siseneb maagaasihoidlasse, saavutatakse üldine kasutusmäär 93%, mida näiteks soojuselektrijaamad ei saavuta. puiduhake või pellet (jaama enda kasutegur on madalam ja lisaks on kaod soojusvõrkudes).
Suured gaasiküttel töötavad soojuselektrijaamad saavad koos loodusliku kvaliteediga sünteesgaasi kõrval kasutada ka "puhastamata" sünteesgaasi koospõletamiseks maagaasiga, mis vähendab oluliselt toodetava energia maksumust.
Biomassi gaas või fossiilne maagaas?
Sünteetiline maagaas (SNG) on puhastatud sünteetiline gaas, mille omadused on identsed maagaasiga.
Ettevõtte Agnion arvutuste kohaselt on hakkepuidust SNG tootmise maksumus kuni 1 MW jaamades 8-10 eurosenti/kWh.
Biometaani tootmiskulud on võrreldavad fossiilse maagaasi kaevandamise ja transportimise kuludega. Selline tootmine on aga praegu konkurentsivõimetu. Kõik sõltub nafta maailmaturuhindadest. Kui toornafta hind on näiteks 100 dollarit barreli eest, siis Saksamaal on tööstusklientidele maagaasi hind 5-6 eurosenti/kWh. Eramajapidamistele on hind kõrgem - 8-10 eurosenti/kWh. Korduvalt ennustatud üle 200 dollari suuruse naftabarreli hinna puhul maksaks maagaas isegi tööstustarbijatele pidevalt üle 10 eurosenti/kWh. Sellel tingimusel võiks SNG tootmine biomassist olla majanduslikult tasuv ka ilma taastuvenergia seaduse alusel toetusteta. Ja Ukrainas on sünteesgaas jooksevhindades kaks korda odavam kui maagaas. Nad arendavad oma projekti sünteesgaasi tootmiseks saepuru, põhu, turba ja kivisöe segu gaasistamise teel. Selle koostis: kuni 25-30% metaani, 30-35% süsinikmonooksiidi ja ülejäänud 6% lämmastikku ja süsinikdioksiidi.
Praegu on maailma energiavajadus ligikaudu 11–12 miljardit tonni kütuseekvivalenti (ce) ja see kaetakse 58–60% nafta ja gaasiga. Iga-aastase taastuva taimse biomassi energiavarud on 25 korda suuremad kui toodetava õli maht. Praegu moodustab põletatud taimne biomass ligikaudu 10% tarbitud energiaressurssidest (umbes 1 miljard tonni kütuseekvivalenti), tulevikus on oodata biomassi kasutamise olulist laienemist selle töötlemise saaduste (vedel, tahke kütus) näol. jm) ja ennekõike kogunevad ja lagunevad jäätmed, mis saastavad keskkonda.
Suureneb nõudlus nafta ja maagaasi järele ning samal ajal täiustatakse taimse biomassi energiakasutuse meetodeid (lisaks selle otsepõletamisele). Kindlasti on selles imelises bioenergia tulevikus ülalkirjeldatud tehnoloogiate järele nõudlus hoopis teisel, tööstuslikul tasemel. Igal juhul tahan seda uskuda.
Sergei PEREDERY,
EKO Holz-und Pellethandel GmbH,
Düsseldorf, Saksamaa
Metaani tootmine süsinikdioksiidist on protsess, mis nõuab laboritingimusi. Nii toodeti 2009. aastal Pennsylvania ülikoolis (USA) metaani veest ja süsihappegaasist, kasutades selleks nanotorusid, mis koosnesid TiO 2-st (titaandioksiidist) ja sisaldasid lämmastiku lisandeid. Metaani saamiseks asetasid teadlased vee (auruseisundis) ja süsihappegaasi metallmahutitesse, mis olid suletud nanotorudega kaanega.
Metaani tootmise protsess on järgmine: Päikese valguse mõjul tekkisid torude sisse elektrilaengut kandvad osakesed. Sellised osakesed eraldasid veemolekulid vesinikioonideks (H, mis seejärel ühinevad vesiniku molekulideks H2) ja hüdroksüülradikaalideks (-OH osakesed). Lisaks jagati metaani tootmise käigus süsinikdioksiid süsinikmonooksiidiks (CO) ja hapnikuks (O 2). Lõpuks reageerib süsinikoksiid vesinikuga, mille tulemuseks on vesi ja metaan.
Pöördreaktsioon - süsinikdioksiidi tootmine toimub metaani aurudeformatsiooni tagajärjel - temperatuuril 700-1100 ° C ja rõhul 0,3-2,5 MPa.
, plahvatusohtlikud gaasid, kasvuhooneefekt
Seda plahvatusohtlikku gaasi nimetatakse sageli "rabagaasiks". Kõik teavad selle spetsiifilist lõhna, kuid tegelikult on need spetsiaalsed "gaasilõhnaga" lisandid, mida lisatakse selle äratundmiseks. Põlemisel ei jäta see praktiliselt mingeid kahjulikke tooteid. Muuhulgas osaleb see gaas üsna aktiivselt tuntud kasvuhooneefekti tekkes.
Gaas, mida tavaliselt seostatakse elusorganismidega. Kui Marsi ja Titani atmosfäärist avastati metaan, hakkasid teadlased lootma, et neil planeetidel on elu olemas. Punasel planeedil on metaani vähe, kuid Titan on sellega sõna otseses mõttes "üle ujutatud". Ja kui mitte Titani puhul, siis Marsi jaoks on metaani bioloogilised allikad sama tõenäolised kui geoloogilised. Hiiglaslikel planeetidel – Jupiteril, Saturnil, Uraanil ja Neptuunil – on palju metaani, kus see tekkis protosolaarse udukogu aine keemilise töötlemise produktina. Maal on see haruldane: selle sisaldus meie planeedi atmosfääris on vaid 1750 mahuosa miljardi kohta (ppbv).
Metaani allikad ja tootmine
Metaan on kõige lihtsam süsivesinik, värvitu ja lõhnatu gaas. Selle keemiline valem on CH4. Vees vähelahustuv, õhust kergem. Igapäevaelus ja tööstuses kasutamisel lisatakse metaanile tavaliselt spetsiifilise “gaasilõhnaga” lõhnaaineid. Looduslike (77-99%), nendega seotud nafta (31-90%), kaevandus- ja rabagaaside (seega ka metaani teised nimetused - raba- või kaevandusgaas) põhikomponent.
90–95% metaanist on bioloogilist päritolu. Taimtoidulised kabiloomad, nagu lehmad ja kitsed, eraldavad viiendiku aastasest metaaniheitest oma maos leiduvate bakterite kaudu. Muude oluliste allikate hulka kuuluvad termiidid, koorimata riis, sood, maagaasi filtreerimine (eelmise elu toode) ja taimede fotosüntees. Vulkaanid annavad Maa metaani üldisele tasakaalule alla 0,2%, kuid selle gaasi allikaks võivad olla ka varasemate ajastute organismid. Tööstuslikud metaaniheitmed on ebaolulised. Seega näitab metaani avastamine planeedilt nagu Maa, et seal on elu.
Metaan tekib nafta ja naftasaaduste termilisel töötlemisel (10-57% mahust), koksimisel ja kivisöe hüdrogeenimisel (24-34%). Laboratoorsed valmistamismeetodid: naatriumatsetaadi liitmine leelisega, vee toime metüülmagneesiumjodiidile või alumiiniumkarbiidile.
Laboris valmistatakse seda naatriumi (naatrium- ja kaaliumhüdroksiidi segu) või veevaba naatriumhüdroksiidi kuumutamisel äädikhappega. Selle reaktsiooni jaoks on oluline vee puudumine, mistõttu kasutatakse naatriumhüdroksiidi, kuna see on vähem hügroskoopne.
Metaani omadused
põleb õhus sinaka leegiga ja vabanev energia on umbes 39 MJ 1 m 3 kohta. Moodustub õhuga plahvatusohtlikud segud. Eriti ohtlik on metaan, mis eraldub maavarade maardlate allmaakaevandamisel kaevandustes, samuti söetöötlemis- ja briketitehastes ning sorteerimistehastes. Seega, kui õhusisaldus on kuni 5-6%, põleb metaan soojusallika läheduses (süttimistemperatuur 650-750 °C), 5-6% kuni 14-16% plahvatab, üle 16% võib põleda koos. hapniku sissevool väljastpoolt. Metaani kontsentratsiooni vähenemine võib põhjustada plahvatuse. Lisaks võib metaani kontsentratsiooni märkimisväärne tõus õhus põhjustada lämbumist (näiteks metaani kontsentratsioon 43% vastab 12% O 2 -le).Plahvatusohtlik põlemine levib kiirusega 500-700 m/sek; gaasirõhk plahvatuse ajal suletud mahus on 1 Mn/m2. Pärast kokkupuudet soojusallikaga toimub metaani süttimine teatud viivitusega. Sellest omadusest lähtub ohutuslõhkeainete ja plahvatuskindlate elektriseadmete loomine. Objektidel, mis on metaani olemasolu tõttu ohtlikud (peamiselt söekaevandused), nn. gaasirežiim.
Temperatuuril 150-200 °C ja rõhul 30-90 atm oksüdeerub metaan kuni sipelghape.
Metaan moodustab looduses laialt levinud inklusioonühendeid – gaasihüdraate.
Metaani rakendamine
Metaan on termiliselt kõige stabiilsem küllastunud süsivesinik. Seda kasutatakse laialdaselt kui majapidamis- ja tööstuskütus Ja kuidas tooraine tööstuse jaoks. Seega tekib metaani kloorimisel metüülkloriid, metüleenkloriid, kloroform ja süsiniktetrakloriid.
Metaani mittetäieliku põlemisega saame tahma, katalüütilise oksüdatsiooni ajal - formaldehüüd, väävliga suhtlemisel - süsinikdisulfiid.
Termooksüdatiivne pragunemine Ja elektrokrakkimine metaan – olulised tööstuslikud tootmismeetodid atsetüleen.
Tööstusliku tootmise aluseks on metaani ja ammoniaagi segu katalüütiline oksüdatsioon vesiniktsüaniidhape. Metaani kasutatakse kui vesiniku allikas ammoniaagi tootmisel, samuti vesigaasi (nn sünteesgaasi) tootmiseks: CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2, kasutatakse süsivesinike, alkoholide, aldehüüdide jne tööstuslikuks sünteesiks. metaani oluline derivaat on nitrometaan.
Autokütus
Metaani kasutatakse laialdaselt autode mootorikütusena. Loodusliku metaani tihedus on aga tuhat korda väiksem kui bensiini tihedus. Seega, kui täidate auto atmosfäärirõhul metaani, on sama kütusekoguse jaoks kui bensiini jaoks vaja 1000 korda suuremat paaki. Selleks, et mitte vedada tohutut haagist kütusega, on vaja gaasi tihedust suurendada. Seda saab saavutada metaani kokkusurumisel rõhuni 20-25 MPa (200-250 atmosfääri). Gaasi hoidmiseks selles olekus kasutatakse spetsiaalseid silindreid, mis paigaldatakse autodele.
Metaan ja kasvuhooneefekt
Metaan on kasvuhoonegaas. Kui tinglikult võtta süsinikdioksiidi mõju aste kliimale üheks, siis on metaani kasvuhooneaktiivsus 23 ühikut. Metaani tase atmosfääris on viimase kahe sajandi jooksul väga kiiresti tõusnud.
Nüüd on metaani CH 4 keskmine sisaldus tänapäevases atmosfääris hinnanguliselt 1,8 ppm ( osa miljoni kohta, osa miljoni kohta). Ja kuigi see on 200 korda väiksem kui selle süsinikdioksiidi (CO 2) sisaldus ühe gaasimolekuli kohta, on metaani kasvuhooneefekt – see tähendab selle panus päikese poolt kuumutatud Maa soojuse hajumisse ja säilitamisse – on oluliselt kõrgem kui CO 2 puhul. Lisaks neelab metaan Maa kiirgust nendes spektri "akendes", mis on teistele kasvuhoonegaasidele läbipaistvad. Ilma kasvuhoonegaasideta - CO 2, veeauru, metaani ja mõnede muude lisanditeta oleks keskmine temperatuur Maa pinnal vaid –23°C, kuid praegu on see umbes +15°C.
Ookeani põhja imbub metaan läbi maakoore pragude ning eraldub märkimisväärses koguses kaevandamisel ja metsade põletamisel. Hiljuti avastati uus, täiesti ootamatu metaaniallikas - kõrgemad taimed, kuid tekkemehhanismid ja selle protsessi tähendus taimede endi jaoks pole veel selgeks tehtud.
Metaan Maal
Santa Barbara lähedal eraldub ookeanipõhjast suurtes kogustes aktiivne kasvuhoonegaas metaani mullidena.
Metaan on eriti ohtlik kaevandamise ajal
Bensiini asemel metaan? Kergesti
Kui Marsi atmosfäärist metaan avastati, tekkis teadlastel lootus leida planeedilt elu jälgi
Keemikud on välja töötanud vaskoksiidil ja tsinkoksiidil põhineva fotokatalüsaatori, mis võimaldab päikesevalguse mõjul süsihappegaasi metaaniks muuta ning sellise katalüsaatori kasutamine väldib täielikult kõrvalsaaduste teket. Uuring avaldati aastal Looduskommunikatsioonid.
Süsinikdioksiidi sisalduse suurenemist atmosfääris nimetatakse üheks globaalse soojenemise võimalikuks põhjuseks. Süsinikdioksiidi taseme kuidagi vähendamiseks teevad teadlased ettepaneku kasutada seda keemilise allikana muudeks süsinikku sisaldavateks aineteks. Näiteks hiljuti toimus atmosfääri süsinikdioksiidi redutseerimine metanooliks. Süsinikdioksiidi süsivesinikkütusteks muundamiseks on tehtud palju katseid välja töötada tõhusaid meetodeid. Tavaliselt kasutatakse selleks titaan(IV)oksiidil põhinevaid katalüsaatoreid, kuid nende kasutamine toob kaasa suure hulga kõrvalsaaduste, eelkõige vesiniku tootmise.
Korea keemikud on oma uues töös välja pakkunud tsinkoksiidist ja vaskoksiidist (I) oksiidist koosneva fotokatalüsaatori uue konfiguratsiooni, mis võimaldab suure tõhususega redutseerida atmosfääri süsinikdioksiidi metaaniks. Katalüsaatori saamiseks kasutasid keemikud kaheastmelist sünteesi vase ja tsink atsetüülatsetonaatidest. Selle tulemusena oli võimalik saada sfäärilisi tsinkoksiidi nanoosakesi, mis olid kaetud väikeste kuupmeetriliste vask(I)oksiidi nanokristallidega.
Katalüsaatori nanoosakeste sünteesi skeem
K.-L. Bae et al./Nature Communications, 2017
Selgus, et sellised nanoosakesed on fotokatalüsaatorid süsihappegaasi metaaniks muundamiseks. Reaktsioon toimub toatemperatuuril, kui seda kiiritatakse valgusega vesikeskkonnas nähtavas ja ultraviolettpiirkonnas. See tähendab, et see hõlmab süsinikdioksiidi, mis on eelnevalt vees lahustunud. Katalüsaatori aktiivsus oli 1080 mikromooli tunnis 1 grammi katalüsaatori kohta. Metaani kontsentratsioon tekkivas gaasisegus ületas 99 protsenti. Katalüsaatori nii kõrge efektiivsuse põhjuseks on vase- ja tsinkoksiidide ribalõhe energiate suhe, mis toob kaasa tõhusama laenguülekande komponentide vahel.
Ainete kontsentratsiooni muutmine süsinikdioksiidi metaaniks muundamise ajal, kasutades kavandatud katalüsaatorit
K.-L. Bae et al./Nature Communications, 2017
Lisaks võrdlesid teadlased pakutud katalüsaatori omadusi kõige tõhusama katalüsaatoriga, mida varem süsinikdioksiidi muundamiseks kasutati. Selgus, et sama massiga katalüsaator võimaldab sama aja jooksul toota ligikaudu 15 korda vähem metaani kui uus. Lisaks on vesiniku sisaldus saadud segus ligikaudu 4 korda suurem kui metaani sisaldus.
Teadlaste sõnul ei saa nende pakutud katalüsaatorit kasutada mitte ainult süsinikdioksiidi tõhusaks muundamiseks metaaniks, vaid see on ka teabeallikaks selliste reaktsioonide mehhanismide kohta fotokatalüsaatorite osalusel.
Süsinikdioksiidi hulga vähendamiseks atmosfääris kasutatakse ka teisi meetodeid. Näiteks oli hiljuti ühes Islandi elektrijaamas moodul, mis püüab kinni atmosfääri süsinikdioksiidi.
Aleksander Dubov
