Skip to main content

MEthane activation via integrated MEmbrane REactors

Article Category

Article available in the folowing languages:

Innowacyjne membrany i katalizatory zmniejszają emisję gazów cieplarnianych w przemyśle chemicznym

Wytwarzanie etylenu (C2H4) stanowi źródło emisji dużych ilości dwutlenku węgla (CO2) na terenie Europy. W ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu naukowcy opracowali tani i przyjazny dla środowiska proces, który pozwala na wytwarzanie większych ilości cennego materiału niż obecne technologie.

Energia

Etylen jest wytwarzany w znacznie większych ilościach niż jakikolwiek inny związek organiczny, a większość produkcji jest wykorzystywana na potrzeby wytwarzania polietylenu, czyli najpopularniejszego tworzywa sztucznego naszych czasów. W Europie produkcja C2H4 odbywa się w ramach procesu krakingu nafty, który prowadzi jednak do wytwarzania olbrzymich ilości dwutlenku węgla, stanowiącego produkt uboczny. Jednym ze sposobów na zmniejszenie emisji CO2 jest wytwarzanie etylenu (C2H4) z metanu (CH4), który jest łatwiej dostępnym, mniej zanieczyszczającym środowisko i tańszym surowcem. Istniejąca reakcja pozwalająca na przetwarzanie metanu w etylen – reakcja katalitycznego utleniającego sprzęgania metanu – nie jest jednak opłacalna ekonomicznie ze względu na bardzo niską wydajność procesu. Uczestnicy finansowanego przez Unię Europejską projektu MEMERE postanowili rozwiązać ten problem, opracowując i testując nowatorski reaktor membranowy, pozwalający na bezpośrednie przekształcanie CH4 w C2H4 z wykorzystaniem zintegrowanej separacji powietrza. Celem zespołu było zwiększenie wydajności procesu wytwarzania etylenu przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji, zapotrzebowania na energię oraz emisji szkodliwych substancji w porównaniu z najlepszymi dostępnymi obecnie technikami. W ramach swoich prac naukowcy opracowali nowatorskie, tanie, a zarazem bardziej wytrzymałe membrany selektywne pod kątem tlenu, pozwalające na skuteczniejszą separację powietrza oraz dostarczanie tlenu do reaktora. „Naszym celem było opracowanie wydajnego rozwiązania udowadniającego słuszność naszej koncepcji i potwierdzającego możliwości naszej technologii, aby w ten sposób osiągnąć 5. poziom gotowości technologicznej. Nasze prace obejmowały zaprojektowanie, zbudowanie oraz uruchomienie i sprawdzenie prototypowego modułu opartego na technologii katalitycznego utleniającego sprzęgania metanu, który stanie się częścią mini-instalacji mieszczącej się w kontenerze”, twierdzi koordynator projektu Fausto Gallucci.

Nowe podejście

Partnerzy projektu skupili się na separacji powietrza przy pomocy membran o jonowo-elektronowym przewodnictwie (MIEC) zintegrowanych z reaktorem pracującym w wysokiej temperaturze w celu przeprowadzenia reakcji katalitycznego utleniającego sprzęgania metanu. „Łącząc różne etapy procesu w jednym wielofunkcyjnym urządzeniu staraliśmy się osiągnąć znacznie wyższą wydajność procesu niż w przypadku konwencjonalnych reaktorów”, wyjaśnia Gallucci. W wykorzystanej przez naukowców reakcji następuje separacja tlenu, który trafia do reaktora przez ceramiczne membrany, podczas gdy reakcja zachodzi na katalizatorze, który nie wymaga obecności dużych ilości tlenu. Takie połączenie umożliwia uzyskanie wyższej wydajności i niższych kosztów procesu w porównaniu z technikami wykorzystywanymi do tej pory. W związku z tym konsorcjum opracowało katalizatory, które charakteryzują się wyższą stabilnością w warunkach reakcji, a w szczególności przy niskim stężeniu tlenu, a także wytworzyło membrany, które mogą zostać wykorzystane w warunkach panujących w reaktorze. „Opracowaliśmy porowate membrany z tlenkiem magnezu na potrzeby dostarczania tlenu w warunkach wysokiej temperatury, a następnie zwiększyliśmy ich skalę i przeprowadziliśmy stosowne badania. Jednocześnie opracowaliśmy dwu- i trójfazowe membrany umożliwiające oddzielanie tlenu w reaktorach, w których znajdują się duże ilości dwutlenku węgla – warto pamiętać, że obecnie gaz ten jest niszczycielski dla większości dostępnych membran”, zauważa Gallucci.

Liczne korzyści

Naukowcy skupieni wokół projektu MEMERE z powodzeniem rozwinęli szereg dziedzin nauki, obejmujących zarówno nauki podstawowe, jak i analizy techniczno-ekonomiczne oraz cyklu życia. Jak twierdzi Gallucci: „Wśród najbardziej interesujących rezultatów naszego projektu można wymienić między innymi nowe technologie wykorzystywane w wytwarzaniu membran oraz katalizatorów powstających w procesie druku 3D. Dodatkowo prace realizowane w ramach projektu umożliwiły wielu studentom i doktorantom pracę nad bezpośrednim rozwojem technologii w ścisłej współpracy z przedstawicielami przemysłu”. Zwiększanie wydajności przemysłu chemicznego pomoże Europie uzyskać przewagę konkurencyjną na światowym rynku, dzięki czemu będziemy w stanie zwiększyć nasze inwestycje w innowacyjne i zrównoważone technologie prowadzące do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Realizacja projektu przełoży się również na korzyści dla społeczeństwa wynikające z tworzenia nowych miejsc pracy w branży wytwarzania membran i katalizatorów, a także innych sektorach przemysłu. „Technologia opracowana w ramach projektu MEMERE może znaleźć również zastosowanie w instalacjach na niewielką i średnią skalę, przetwarzających metan wytwarzany na odizolowanych obszarach, gdzie niemożliwe jest zastosowanie konwencjonalnych technologii”.

Słowa kluczowe

MEMERE, membrana, reaktor, metan (CH4), katalizator, dwutlenek węgla, katalityczne utleniające sprzęganie metanu

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania