Metano gamyba iš anglies dioksido. Kaip iš mėšlo gaminti biodujas: pagrindinių gamybos įmonės principų ir dizaino apžvalga
Iki šiol pasaulyje yra tik keletas užbaigtų projektų, skirtų metanui iš medienos gaminti. Pirmieji rezultatai leidžia tikėtis rimto proveržio šia kryptimi.
Straipsnio „Metanas iš biomasės“ formules žr
Metanas CH4 yra bespalvės ir bekvapės dujos, kurios yra beveik dvigubai lengvesnės už orą. Jis susidaro gamtoje dėl skilimo, augalų ir gyvūnų organizmų liekanų nepatekus orui. Štai kodėl jo yra, pavyzdžiui, pelkėse ir anglies kasyklose. Gamtinėse dujose, kurios dabar plačiai naudojamos kaip kuras kasdieniame gyvenime ir pramonėje, yra dideli metano kiekiai.
Viena sparčiausiai augančių technologijų energijos gamybos iš atsinaujinančių šaltinių srityje šiandien yra biometano gamyba anaerobinės fermentacijos būdu ir vėlesnis jo tiekimas į tinklus, kuriais gamtinės dujos tiekiamos vartotojams. Nepaisant didelių sąnaudų gaminant biometaną naudojant šią technologiją (8-10 euro centų už 1 kWh), jo gamybai skirtų įrenginių skaičius nuolat auga. 2009 metais Vokietijoje jau veikė 23 klasikinės (mėšlu kūrenamos) biodujų gamyklos, tiekiančios dujas į esamus gamtinių dujų vamzdynus, dar 36 statomos arba planuojamos. Šio rodiklio augimo priežastis – 2004 metais Vokietijoje priimtas Atsinaujinančios energijos įstatymas (Erneuerbare Energien Gesetz – EEG), pakeistas 2009 metais ir leidžiantis dujų pardavėjams siūlyti savo klientams iš regeneracinių šaltinių gaunamas dujas bei gauti valstybės subsidijas elektros gamybai. iš atsinaujinančių energijos šaltinių (AEI).
Pirmoji pasaulyje gamykla, gaminanti SNG dujas iš medienos
Austrijos miestas Giusingas. Pirmame plane yra metano gamybos padalinys
Biometanas pagal klasikinę ir dabar plačiai naudojamą schemą gaunamas iš augalinių substratų (pavyzdžiui, kukurūzų), kiaulių kompleksų srutų, galvijų mėšlo, vištų mėšlo ir kt. Toks metanas iš biomasės gali būti gaunamas jį anaerobiniu būdu skaidant (fermentuojant). ). Anaerobinio virškinimo metu organinės medžiagos (natūralios atliekos) suyra, kai nėra deguonies. Šis procesas vyksta trimis etapais, kuriuose dalyvauja dvi skirtingos bakterijų grupės. Pirmajame etape sudėtingi organiniai junginiai (riebalų rūgštys, baltymai, angliavandeniai) fermentinės hidrolizės metu paverčiami paprastesniais junginiais. Antrajame etape paprasti junginiai yra veikiami anaerobinių (arba rūgštį formuojančių) bakterijų grupe, todėl susidaro daugiausia lakiųjų riebalų rūgščių. Trečiajame etape organinės rūgštys paverčiamos anglies dioksidu ir metanu, veikiant griežtai anaerobinėms (arba metaną formuojančioms) bakterijoms. Po šio etapo gaunamos metanu prisodrintos dujos (biodujos), kurių kaloringumas 5340-6230 kcal/m 3 .
„Ersatzgas“ iš kietos biomasės, tokios kaip mediena, turi didelį pranašumą prieš biodujas, gaunamas iš mėšlo ir kraiko: tokių dujų gamyboje dalyvaujantys asmenys disponuoja įspūdingais lentpjūvės, medienos ruošos ir medienos perdirbimo atliekų kiekiais. Be to, Europos rinkoje lentpjūvės ir medienos perdirbimo atliekų kainos, priešingai nei žemės ūkio produktų, naudojamų biodujoms gaminti, kainos svyruoja daug mažiau. Reikia nepamiršti, kad žemės ūkio produktų (grūdų, kukurūzų, rapsų ir kt.) naudojimas biodujoms gaminti galiausiai lemia aukštesnes kainas maisto rinkose. Be to, cheminės reakcijos atliekinės šilumos temperatūra yra aukštesnė, palyginti su klasikinėse biodujų gamyklose vykstančių fermentacijos reakcijų atliekų šilumos temperatūra. Iš to seka, kad medienos metanavimo procesų metu išsiskirianti šiluminė energija gali būti efektyviau panaudota regioniniame šilumos tiekime. Taip pat svarbu, kad, skirtingai nei klasikinėse biodujų gamyklose, eksploatuojant metaną iš medienos gaminančias gamyklas neliktų nemalonių kvapų. Be to, šie įrenginiai užima daug mažiau vietos nei klasikiniai ir gali būti įrengti miesto aglomeracijose.
Technologijos
Plačiai paplitusios biometano gamybos iš žemės ūkio substratų fermentacijos (anaerobinės fermentacijos) būdu šiandien rezultatas yra biometanas, kurį daugiausia sudaro metanas ir anglies dioksidas. Tada biometanas turi būti specialiai paruošiamas ir išgryninamas iki gamtinių dujų kokybės, atskiriant CO 2 . Šilumos nuostoliai fermentacijos metu riboja visos proceso grandinės efektyvumą. Efektyvumas yra 50-60%.
Gaminant sintetines gamtines dujas (Substitute Natural Gas – SNG) iš anglies turinčio kietojo kuro, tokio kaip anglis arba biomasė (mediena), po terminio dujinimo pirmajame proceso etape gaunamos vadinamosios sintetinės dujos, iš kurių kurį išvalius nuo visų rūšių priemaišų (daugiausia iš anglies dioksido ir sieros bei chloro junginių) sintetinamas metanas. Šis egzoterminis procesas vyksta 300–450 °C temperatūroje ir 1–5 barų slėgyje, esant tinkamam katalizatoriui. Tokiu atveju pasireiškia šios reakcijos:
Žr. formules
Skirtingai nuo anaerobinės fermentacijos, terminis biomasės dujinimas užtikrina didesnį efektyvumą, nes SNG gamybos atliekinė šiluma visada gali būti naudojama vietoje.
Iš esmės metano gamyba iš sintezės dujų, taip pat iš vandenilio (H 2 ) ir anglies monoksido (CO) dujų mišinių yra labai sena technologija. Prancūzų chemikas Paulas Sabatier išrado metano gamybos metodą, pavadintą jo vardu: Sabatier reakcija arba Sabatier procesas (pranc. Sabatier--Reaktion). Už tai 1912 m. gavo Nobelio chemijos premiją. Šis procesas apima vandenilio reakciją su anglies dioksidu aukštesnėje temperatūroje ir slėgyje, dalyvaujant nikelio katalizatoriui, kad susidarytų metanas. Rutenis su aliuminio oksidu gali būti naudojamas kaip efektyvesnis katalizatorius.
Procesas apibūdinamas tokia chemine reakcija:
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O.
Kadangi abi reakcijos yra labai egzoterminės, be specialių priemonių reaktoriams aušinti ar recirkuliuoti katalizatorius suirtų, kai kaitintų iki 600 °C. Be to, esant aukštai temperatūrai, termodinaminė H 2 ir CO pusiausvyra pasislenka, todėl pakankamai didelę metano išeigą galima pasiekti tik žemesnėje nei 300 °C temperatūroje.
Dujinimo technologija buvo sukurta dar 1800-aisiais, siekiant gaminti sintetines dujas, būtinas miestams apšviesti, taip pat naudojamas kaip aušinimo skystis buitiniams ir pramoniniams tikslams (metalurgijoje, garo mašinose ir kt.). Tiek anglis, tiek augalinė biomasė ir jos perdirbti produktai (anglis) buvo dujofikuoti.
Pagrindinis anglių dujinimo procesas sintetinėms cheminėms medžiagoms ir kurui gaminti pradėtas XX a. 20-ajame dešimtmetyje Kaizerio Vilhelmo anglių tyrimų institute Miulheime prie Rūro (Vokietija). Šiame institute Franzas Fischeris ir Hansas Tropschas išrado sintezės dujų (syngas) gamybos būdą skystam kurui iš anglies gaminti Vokietijoje. Fišerio-Tropšo procesas arba Fišerio-Tropšo sintezė (FTS) yra cheminė reakcija, vykstanti dalyvaujant katalizatoriui (geležies, kobalto), kurio metu anglies monoksido (CO) ir vandenilio (H2) mišinys, yra sintezės dujos, paverčiamos įvairiais skystais angliavandeniliais. Gauti angliavandeniliai išvalomi, kad būtų gautas tikslinis produktas – sintetinė alyva. Anglies dioksidas ir anglies monoksidas susidaro dalinės anglies ir (arba) medienos kuro oksidacijos metu.
Fischer-Tropsch procesas apibūdinamas tokia chemine lygtimi:
CO + 2H2 → -CH2 - + H2O
2CO + H2 → -CH2 - + CO2.
Sintezės dujos, gautos dujofikavus anglį arba kietas anglies turinčias atliekas, gali būti tiesiogiai naudojamos kaip kuras, be tolesnio konvertavimo naudojant Fischer-Tropsch procesą. Taigi, gana lengva pereiti nuo dujų prie skystojo kuro. Antrojo pasaulinio karo metais Vokietijoje Fišerio-Tropšo sintezė buvo naudojama aštuoniose gamyklose sintetiniam dyzeliniam kurui gaminti (apie 600 tūkst. tonų per metus). Projektą visiškai finansavo valstybė. Pasibaigus Antrajam pasauliniam karui Vokietijoje, visos šios gamyklos buvo uždarytos ir iš dalies kartu su technologijomis kaip reparacijos buvo eksportuojamos į JAV, o iš ten išplatintos visame pasaulyje. Tuo pačiu metu Pietų Afrikos Respublikoje bendrovė South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL), naudodama vokiškas technologijas, pradėjo gaminti sintetinį kurą ir iki šios dienos keturiose gamyklose Pietų Afrikoje ir vienoje gamykloje Katare per metus pagamina daugiau nei 200 tūkstančių barelių naftos ekvivalento skystųjų angliavandenilių. Pietų Afrika ilgą laiką buvo vienintelė šalis pasaulyje, kurioje buvo plėtojamas CFT procesas. Tačiau po 1973 metų krizės pasaulinės naftos ir energetikos įmonės daugelyje šalių (ypač JAV ir Vokietijoje) pradėjo domėtis tiek sintetinio skystojo kuro, tiek gamtinių sintezės dujų gamyba.
Yra sukurta nemažai gamtinių sintezės dujų gamybos projektų, tačiau tik vienas iš jų sėkmingai įgyvendintas pramoniniu mastu. 1984 m. Great Plains Synfuels Plant (Dakotagas Company) Jungtinėse Valstijose pradėjo lignito metanavimo gamyklą, kuri iki šiol gamina sintetines gamtines dujas, tiekiamas į gamtinių dujų tinklą. Gamyklos paros pajėgumas – 3,9 mln. m3 SNG.
Taip pat verta prisiminti Sovietų Sąjungos patirtį, kai nuo XX amžiaus 2-ojo dešimtmečio pabaigos iki šeštojo dešimtmečio dujinės gamyklos veikė iš medienos (malkos ir medžio anglies) bei durpių dujiniam variklių kurui gaminti. 1929 m. SSRS buvo pastatyta pirmoji didelė durpėmis veikianti dujų gamybos stotis, o vėlesniais metais didelėse įmonėse buvo pastatyta nemažai kitų panašių stočių. Medienos dujos daugiausia buvo naudojamos transporto kurui. Prasidėjus Vakarų Sibiro vystymuisi ir atradus didžiausius pasaulyje mėlynojo kuro telkinius, dujų gamyba SSRS, deja, buvo nepelnytai pamiršta.
Metano gamyba iš medienos
Dujofikuojant biomasė, kurios cheminė formulė CH n O m, pirmiausia paverčiama sintezės dujomis, susidedančiomis iš vandenilio ir anglies monoksido. Iš stechiometrinės bendrosios biomasės metanizacijos reakcijos lygties su sumos formule
CH 1,23 O 0,38 + 0,5025 H 2 O → 0,55875 CH 4 + 0,44125 C 2 O
iš to seka, kad į metano reaktorių turi būti tiekiamas vanduo arba vandens garai, iš jo turi būti pašalintas anglies dioksidas. Čia yra keletas variantų: arba CO 2, kaip ir pramoninėje sintezėje, pašalinamas iš sintezės dujų tiesiai iš metano reaktoriaus, arba, kaip ruošiant biodujas (fermentaciją), po metanizacijos proceso, jau iš nerafinuotų sintetinių gamtinių dujų. . Pirmojo metodo pranašumas prieš kitus yra tas, kad jau išgrynintos dujos patenka į metanavimo ciklą. Antrojo metodo privalumai yra tai, kad metano reaktorius gali veikti su vandens garų pertekliumi, o tai žymiai sumažina anglies susidarymą.
Šiose srityse darbai atliekami Paulo Scherrer institute (Šveicarija), kuris visų pirma dalyvavo rengiant Metano gamybos iš biomasės, naudojant naujas technologijas (kataliziškai aktyviuose sūkuriniuose sluoksniuose), programą pagal ES BioSNG. projektą. Ši technologija buvo pritaikyta Austrijos Gussing miesto šiluminėje elektrinėje. 2009 metais pradėta eksploatuoti metano sintezės jėgainė, kurios galia siekia 1 MW, dirba su medienos drožlėmis. Šiuo metu svarstomas 30 MW galios metano gamybos iš medienos projektas Geteborge, Švedijoje. Panašūs darbai atliekami Vokietijoje (Štutgartas, ZSW), Nyderlanduose (Energijos tyrimų centras, ECN) ir Graco technikos universiteto Šilumos inžinerijos institute (Austrija), bendradarbiaujant su įmone Agnion Pfaffenhofen an der Ilm. (Vokietija).
Metano sintezės iš biomasės efektyvumas
Gaminant metaną kiekvienoje proceso fazėje, kaip ir bet kuriame sintezės procese, nuostoliai yra neišvengiami. Vykstant egzoterminėms reakcijoms, pašalinama šiluma, kurios energijos kiekis gatavame sintezės produkte negali būti didesnis už chemiškai surištą energiją sintezės proceso metu. Metanacijos atveju tai reiškia, kad tik maždaug 60 % energijos iš panaudotos biomasės pasilieka gatavame produkte – SNG.
Tačiau kadangi atmestos šilumos temperatūra yra aukšta nuo 200 iki 400 °C, ją galima naudoti vietoje. Dėl šios priežasties mažos metano sintezės gamyklos tampa ypač pelningos, nes galima 100% išspręsti perteklinės šilumos panaudojimo klausimą, pavyzdžiui, privačių namų ūkių, ūkių šildymui, naudojimui džiovinimo kompleksuose ir pan. Galima nenaudoti. tik dujofikavimo ir metanizacijos atliekinė šiluma, bet ir vandens garų kondensacijos šiluma nerafinuotose sintetinėse dujose, kuriose yra iki 50 % vandens garų. Bendras efektyvumas tokiu pilnutinai panaudojus šilumą ir parduodant susidariusias SNG į dujų tinklus ir dujų saugyklas yra beveik 95%. Tokių projektų atsipirkimo laikotarpis – vos keleri metai.
Atsižvelgiant į tai, kad gamtines dujas visada galima naudoti žymiai didesniu efektyvumu nei kietasis biomasės kuras, geriau naudoti metaną, gaunamą iš medienos, nei kūrenti kietąjį biokurą tiesiogiai. Priežastis: naudojant gamtines dujas elektrai gaminti dujų ar garo turbininėje elektrinėje gaunama iki 60 proc. elektros energijos, o deginant kietąjį kurą iš biomasės labai sunku įgyvendinti projektus, kurių elektros našumas viršija 30 proc. . Taip pat decentralizuotai gaminant elektros energiją iki 1 mW/h, kogeneracinės dujinės elektrinės, kuriose naudojamos sintezės dujos, yra efektyvesnės nei šiluminės elektrinės, kuriose naudojamas organinis ciklinis procesas (ORC-procesas) ir deginamas kietasis biokuras.
Tokių šiluminių elektrinių darbas pagrįstas didelės molekulinės masės darbinio skysčio (terminės alyvos, organinių garuojančių medžiagų) termodinaminio cirkuliacijos proceso ciklų seka (ORC – organinis ranginis ciklas). Cirkuliacinis siurblys darbinį skystį pumpuoja į aukštos temperatūros organinio aušinimo skysčio šilumokaitį, kur jis išgaruoja. Skystieji garai varo turbiną, po to patenka į kitą šilumokaitį, kur atšaldomas vandeniu arba oru ir kondensuojasi. Kondensatas patenka į cirkuliacinio siurblio kolektorių ir termodinaminis ciklas (ORC) kartojasi. Nei aušinimo skystis, nei aušinimo skystis tiesiogiai nesiliečia su turbina ar darbiniu skysčiu. Taikant ORC procesą, šiluminės elektrinės pasiekia didelę galią, patikimą veikimą ir ekonomiškumą.
Netgi vien šiluminės energijos gamyba naudojant biometaną yra konkurencinga su įprastiniais šilumos gamybos būdais. Jeigu medienos metanavimo proceso atliekinė šiluma panaudojama vietoje (decentralizuotai) ir pagamintos dujos patenka į gamtinių dujų saugyklą, gaunamas bendras 93 % panaudojimo koeficientas, kurio nepasiekia, pavyzdžiui, šiluminės elektrinės medžio drožlių ar granulių (pačios stoties efektyvumas mažesnis ir papildomai atsiranda nuostolių šilumos tinkluose).
Didelės dujomis kūrenamos šiluminės elektrinės kartu su paruoštomis natūralios kokybės sintezinėmis dujomis kartu su gamtinėmis dujomis gali naudoti ir „neišgrynintas“ sintezės dujas, o tai žymiai sumažins gaminamos energijos sąnaudas.
Biomasės dujos ar iškastinės gamtinės dujos?
Sintetinės gamtinės dujos (SNG) yra išgrynintos sintetinės dujos, kurių charakteristikos yra identiškos gamtinėms dujoms.
Bendrovės „Agnion“ skaičiavimais, SNG gamybos iš medienos drožlių gamyklose iki 1 MW savikaina yra 8-10 euro centų/kWh.
Biometano gamybos sąnaudos yra panašios į iškastinių gamtinių dujų gavybos ir transportavimo išlaidas. Tačiau tokia produkcija šiuo metu yra nekonkurencinga. Viskas priklausys nuo pasaulinių naftos kainų. Jei žalios naftos kaina yra, pavyzdžiui, 100 USD už barelį, tai Vokietijoje pramoniniams klientams gamtinių dujų kaina siekia 5-6 euro centus/kWh. Privatiems namų ūkiams kaina bus didesnė – 8-10 euro centų/kWh. Ne kartą prognozuojant daugiau nei 200 USD už barelį naftos kainai, gamtinės dujos net pramoniniams klientams nuolat kainuotų daugiau nei 10 euro centų/kWh. Esant tokiai sąlygai, SNG gamyba iš biomasės galėtų būti ekonomiškai naudinga net ir be subsidijų pagal AEI įstatymą. O Ukrainoje dabartinėmis kainomis sintezės dujos yra du kartus pigesnės nei gamtinės dujos. Jie kuria savo projektą, skirtą sintezės dujoms gaminti dujofikuojant pjuvenų, šiaudų, durpių ir anglies mišinį. Jo sudėtis: iki 25-30% metano, 30-35% anglies monoksido, o likę 6% azoto ir anglies dioksido.
Šiuo metu pasaulio energijos poreikiai sudaro apie 11–12 milijardų tonų kuro ekvivalento (ce) ir patenkinami 58–60 % naftos ir dujų. Kasmet atsinaujinančios augalų biomasės energijos ištekliai yra 25 kartus didesni už pagaminamos naftos kiekį. Šiuo metu sudeginta augalų biomasė sudaro apie 10% sunaudojamų energijos išteklių (apie 1 mlrd. tonų kuro ekvivalento), ateityje tikimasi reikšmingo biomasės panaudojimo išplėtimo jos perdirbimo produktų (skystas, kietas kuras) pavidalu. ir t.t.) ir, visų pirma, besikaupiančios ir skaidančios atliekos, teršiančios aplinką.
Didės naftos ir gamtinių dujų poreikis, o kartu bus tobulinami augalinės biomasės energetinio panaudojimo būdai (be tiesioginio deginimo). Be abejo, šioje nuostabioje bioenergijos ateityje aukščiau aprašytos technologijos bus paklausios visiškai kitokiu, pramoniniu lygmeniu. Bet kuriuo atveju noriu tuo tikėti.
Sergejus PEREDERIJUS,
EKO Holz-und Pellethandel GmbH,
Diuseldorfas, Vokietija
Metano gamyba iš anglies dioksido yra procesas, kuriam reikalingos laboratorinės sąlygos. Taigi 2009 metais Pensilvanijos universitete (JAV) metanas buvo gaminamas iš vandens ir anglies dioksido naudojant nanovamzdelius, susidedančius iš TiO 2 (titano dioksido) ir turinčius azoto priemaišų. Norėdami gauti metano, tyrėjai į metalinius konteinerius, uždarytus dangteliu su nanovamzdeliais, įdėjo vandenį (garų būseną) ir anglies dioksidą.
Metano gamybos procesas yra toks: veikiant Saulės šviesai, vamzdelių viduje atsirado dalelės, turinčios elektros krūvį. Tokios dalelės atskyrė vandens molekules į vandenilio jonus (H, kurie vėliau susijungia į vandenilio molekules H2) ir hidroksilo radikalus (-OH daleles). Be to, metano gamybos procese anglies dioksidas buvo padalintas į anglies monoksidą (CO) ir deguonį (O 2). Galiausiai anglies monoksidas reaguoja su vandeniliu, todėl susidaro vanduo ir metanas.
Atvirkštinė reakcija - anglies dioksidas susidaro dėl metano deformacijos garais - 700–1100 ° C temperatūroje ir 0,3–2,5 MPa slėgyje.
, sprogios dujos, šiltnamio efektas
Šios sprogios dujos dažnai vadinamos „pelkės dujomis“. Visi žino specifinį jo kvapą, bet iš tikrųjų tai yra specialūs priedai „su dujų kvapu“, kurie dedami tam, kad jį atpažintų. Deginant praktiškai nepalieka kenksmingų produktų. Be kita ko, šios dujos gana aktyviai dalyvauja formuojant gerai žinomą šiltnamio efektą.
Dujos, dažniausiai susijusios su gyvais organizmais. Kai Marso ir Titano atmosferoje buvo aptiktas metanas, mokslininkai pradėjo tikėtis, kad šiose planetose egzistuoja gyvybė. Raudonojoje planetoje metano yra mažai, tačiau Titanas tiesiogine prasme juo yra „užtvindytas“. Ir jei ne Titane, tai Marse biologiniai metano šaltiniai yra tokie pat tikėtini, kaip ir geologiniai. Daug metano yra milžiniškose planetose – Jupiteryje, Saturne, Urane ir Neptūne, kur jis atsirado kaip cheminio medžiagų apdorojimo produktas iš protosolinio ūko. Žemėje jis yra retas: jo kiekis mūsų planetos atmosferoje yra tik 1750 milijardų dalių pagal tūrį (ppbv).
Metano šaltiniai ir gamyba
Metanas yra paprasčiausias angliavandenilis, bespalvės, bekvapės dujos. Jo cheminė formulė yra CH4. Šiek tiek tirpsta vandenyje, lengvesnis už orą. Naudojant kasdieniame gyvenime ir pramonėje, į metaną dažniausiai dedama specifinio „dujų kvapo“ kvapiųjų medžiagų. Pagrindinis gamtinių (77-99%), asocijuotų naftos (31-90%), kasyklų ir pelkių dujų komponentas (taigi ir kiti metano pavadinimai – pelkių arba kasyklų dujos).
90–95% metano yra biologinės kilmės. Žolėdžiai kanopiniai gyvūnai, tokie kaip karvės ir ožkos, išskiria penktadalį metinių metano emisijų iš bakterijų savo skrandžiuose. Kiti svarbūs šaltiniai yra termitai, žaliaviniai ryžiai, pelkės, gamtinių dujų filtravimas (praėjusio gyvenimo produktas) ir augalų fotosintezė. Vulkanai sudaro mažiau nei 0,2 % bendro metano balanso Žemėje, tačiau šių dujų šaltinis gali būti ir praėjusių epochų organizmai. Pramonės metano emisijos yra nereikšmingos. Taigi, metano atradimas tokioje planetoje kaip Žemė rodo gyvybės buvimą ten.
Metanas susidaro termiškai apdorojant naftą ir naftos produktus (10-57% tūrio), koksuojant ir hidrinant anglį (24-34%). Laboratoriniai paruošimo metodai: natrio acetato suliejimas su šarmu, vandens poveikis metilo magnio jodidui arba aliuminio karbidui.
Laboratorijoje jis ruošiamas kaitinant natrio kalkes (natrio ir kalio hidroksidų mišinį) arba bevandenį natrio hidroksidą su acto rūgštimi. Vandens nebuvimas yra svarbus šiai reakcijai, todėl naudojamas natrio hidroksidas, nes jis yra mažiau higroskopiškas.
Metano savybės
dega ore su melsva liepsna, o išsiskirianti energija yra apie 39 MJ 1 m 3. Susidaro su oru sprogstamieji mišiniai. Ypač pavojingas metanas, išsiskiriantis kasant požeminius naudingųjų iškasenų telkinius kasyklose, taip pat anglies perdirbimo ir briketų gamyklose bei rūšiavimo gamyklose. Taigi, kai ore yra iki 5-6%, metanas dega šalia šilumos šaltinio (užsidegimo temperatūra 650-750 °C), nuo 5-6% iki 14-16% sprogsta, per 16% gali sudegti. deguonies antplūdis iš išorės. Metano koncentracijos sumažėjimas gali sukelti sprogimą. Be to, labai padidėjus metano koncentracijai ore gali uždusti (pavyzdžiui, 43 % metano koncentracija atitinka 12 % O 2).Sprogstamasis degimas plinta 500-700 greičiu m/sek; dujų slėgis sprogimo metu uždarame tūryje yra 1 Mn/m 2 . Po sąlyčio su šilumos šaltiniu metanas užsidega šiek tiek uždelsdamas. Šia savybe grindžiama saugių sprogmenų ir sprogimui atsparių elektros įrenginių kūrimas. Aikštelėse, kurios yra pavojingos dėl metano buvimo (daugiausia anglies kasyklose), vadinamosios. dujų režimas.
150-200 °C temperatūroje ir 30-90 atm slėgyje metanas oksiduojasi iki skruzdžių rūgštis.
Metanas sudaro inkliuzinius junginius – dujų hidratus, kurie yra plačiai paplitę gamtoje.
Metano taikymas
Metanas yra termiškai stabiliausias sotusis angliavandenilis. Jis plačiai naudojamas kaip buitiniam ir pramoniniam kurui Ir kaip žaliavos pramonei. Taigi, chloruojant metaną, susidaro metilo chloridas, metileno chloridas, chloroformas ir anglies tetrachloridas.
Nevisiškai sudeginus metaną gauname suodžiai, katalizinės oksidacijos metu - formaldehidas, kai sąveikauja su siera - anglies disulfidas.
Terminis oksidacinis krekingas Ir elektrokrekingas metanas – svarbūs pramoniniai gamybos būdai acetilenas.
Pramoninės gamybos pagrindas yra metano ir amoniako mišinio katalizinė oksidacija vandenilio cianido rūgštis. Metanas naudojamas kaip vandenilio šaltinis amoniako gamyboje, taip pat vandens dujų (vadinamųjų sintezės dujų) gamybai: CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2, naudojamas pramoninei angliavandenilių, alkoholių, aldehidų ir kt. sintezei. svarbus metano darinys nitrometanas.
Automobilių kuras
Metanas plačiai naudojamas kaip automobilių kuras. Tačiau natūralaus metano tankis yra tūkstantį kartų mažesnis už benzino tankį. Todėl, jei pripildysite automobilį metanu esant atmosferos slėgiui, tada tokiam pačiam degalų kiekiui kaip benzinas jums reikės 1000 kartų didesnio bako. Norint nevežti didžiulės priekabos su kuru, reikia padidinti dujų tankį. Tai galima pasiekti suspaudžiant metaną iki 20-25 MPa (200-250 atmosferų). Dujoms laikyti šioje būsenoje naudojami specialūs balionai, kurie montuojami ant automobilių.
Metanas ir šiltnamio efektas
Metanas yra šiltnamio dujos. Jei anglies dioksido poveikio klimatui laipsnis sutartinai laikomas vienu, metano šiltnamio efektas bus 23 vienetai. Per pastaruosius du šimtmečius metano lygis atmosferoje labai sparčiai didėjo.
Dabar vidutinis metano CH 4 kiekis šiuolaikinėje atmosferoje yra 1,8 ppm ( dalių už milijoną, milijoninės dalys). Ir nors tai yra 200 kartų mažiau nei anglies dioksido (CO 2) kiekis, tenkantis vienai dujų molekulei, metano šiltnamio efektas, ty jo indėlis į saulės įkaitintos Žemės skleidžiamos šilumos išsklaidymo ir sulaikymą. yra žymiai didesnis nei iš CO 2. Be to, metanas sugeria Žemės spinduliuotę tuose spektro „languose“, kurie yra skaidrūs kitoms šiltnamio efektą sukeliančioms dujoms. Be šiltnamio efektą sukeliančių dujų - CO 2, vandens garų, metano ir kai kurių kitų priemaišų, vidutinė temperatūra Žemės paviršiuje būtų tik –23°C, o dabar apie +15°C.
Metanas prasiskverbia į vandenyno dugną per žemės plutos įtrūkimus ir išleidžiamas dideliais kiekiais kasybos ir deginant miškus. Neseniai buvo atrastas naujas, visiškai netikėtas metano šaltinis – aukštesni augalai, tačiau kol kas dar nėra išaiškinti formavimosi mechanizmai ir šio proceso reikšmė patiems augalams.
Metanas Žemėje
Netoli Santa Barbaros metanas, aktyvios šiltnamio efektą sukeliančios dujos, dideliais kiekiais išsiskiria iš vandenyno dugno burbuliukų pavidalu.
Metanas ypač pavojingas kasybos darbų metu
Metanas vietoj benzino? Lengvai
Kai Marso atmosferoje buvo aptiktas metanas, mokslininkai turėjo vilties planetoje rasti gyvybės pėdsakų.
Chemikai sukūrė fotokatalizatorių vario oksido ir cinko oksido pagrindu, kuris leidžia anglies dioksidą paversti metanu, kai jis veikiamas saulės spindulių, o naudojant tokį katalizatorių visiškai išvengiama šalutinių produktų susidarymo. Tyrimas buvo paskelbtas m Gamtos komunikacijos.
Anglies dioksido kiekio padidėjimas atmosferoje vadinamas viena iš galimų visuotinio atšilimo priežasčių. Siekiant kažkaip sumažinti anglies dioksido kiekį, mokslininkai siūlo jį naudoti kaip cheminį šaltinį paverčiant kitomis anglies turinčiomis medžiagomis. Pavyzdžiui, neseniai atmosferos anglies dioksidas buvo sumažintas iki metanolio. Buvo daug bandymų sukurti veiksmingus metodus anglies dioksidui paversti angliavandenilių kuru. Paprastai tam naudojami titano (IV) oksido katalizatoriai, tačiau naudojant juos susidaro daug šalutinių produktų, ypač vandenilio.
Savo naujame darbe Korėjos chemikai pasiūlė naują fotokatalizatoriaus, susidedančio iš cinko oksido ir vario (I) oksido, konfigūraciją, kuri leidžia atmosferoje esantį anglies dioksidą dideliu efektyvumu redukuoti į metaną. Katalizatoriui gauti chemikai naudojo dviejų pakopų sintezę iš vario ir cinko acetilacetonatų. Dėl to pavyko gauti sferines cinko oksido nanodaleles, padengtas mažais kubiniais vario (I) oksido nanokristalais.
Katalizatorių nanodalelių sintezės schema
K.-L. Bae ir kt./Nature Communications, 2017 m
Paaiškėjo, kad tokios nanodalelės yra fotokatalizatoriai anglies dioksidui paversti metanu. Reakcija vyksta kambario temperatūroje, kai vandeninėje aplinkoje apšvitinama šviesa matomoje ir ultravioletinėje srityse. Tai reiškia, kad jis apima anglies dioksidą, anksčiau ištirpintą vandenyje. Katalizatoriaus aktyvumas buvo 1080 mikromolių per valandą 1 gramui katalizatoriaus. Metano koncentracija susidariusiame dujų mišinyje viršijo 99 procentus. Tokio didelio katalizatoriaus efektyvumo priežastis yra vario ir cinko oksidų juostos tarpų energijų santykis, dėl kurio efektyvesnis krūvio perdavimas tarp komponentų.
Medžiagų koncentracijos keitimas anglies dioksidą paverčiant metanu, naudojant siūlomą katalizatorių
K.-L. Bae ir kt./Nature Communications, 2017 m
Be to, mokslininkai palygino siūlomo katalizatoriaus savybes su efektyviausiu katalizatoriumi, kuris anksčiau buvo naudojamas anglies dioksido konversijai. Paaiškėjo, kad tos pačios masės katalizatorius per tą patį laiką leidžia pagaminti maždaug 15 kartų mažiau metano nei naujas. Be to, vandenilio kiekis gautame mišinyje yra maždaug 4 kartus didesnis nei metano kiekis.
Pasak mokslininkų, jų pasiūlytas katalizatorius gali būti naudojamas ne tik efektyviam anglies dioksido pavertimui metanu, bet ir informacijos apie tokių reakcijų mechanizmus, dalyvaujant fotokatalizatoriams, šaltinis.
Anglies dioksido kiekiui atmosferoje sumažinti naudojami ir kiti metodai. Pavyzdžiui, neseniai vienoje iš Islandijos elektrinių buvo modulis, fiksuojantis atmosferos anglies dioksidą.
Aleksandras Dubovas
