Jednoetapowy, ekologiczny i tani sposób przetwarzania metanu na paliwa płynne
W ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu ZEOCAT-3D powstała nowatorska technologia pozwalająca na bezpośrednie przetwarzanie metanu w wysokowartościowe związki aromatyczne – benzen i naftalen, a także w wodór. Nowatorski proces pozwala na sprawniejsze przekształcanie metanu ze źródeł nienadających się do wykorzystania w transportowalne paliwa płynne, dzięki czemu może przyczynić się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych przez podmioty przemysłowe.
Alternatywny, jednoetapowy proces przetwarzania gazu na ciecze
Przetwarzanie metanu – głównego składnika gazu ziemnego i biogazu – na paliwa i materiały wyjściowe dla przemysłu chemicznego nazywane jest przekształcaniem gazu w ciecz. Większość wykorzystywanych w tym celu technologii obejmuje przetwarzanie metanu i dwutlenku węgla w mieszaninę cząsteczek wodoru i tlenku węgla, czyli w tak zwany syngaz. Dzięki dobrze znanemu procesowi Fischera-Tropscha, syngaz może posłużyć do wytwarzania zróżnicowanych produktów, takich jak między innymi olefiny, benzyna, olej napędowy i związki zawierające tlen. Syngaz może być także przetwarzany w paliwa syntetyczne i inne kluczowe produkty dzięki procesom konwersji metanolu w celu uzyskania benzyny lub olefin. „Istniejące podejścia komercyjne są skalowalne i sprawdzają się w produkcji na skalę przemysłową, jednak ich wadą jest fakt, że wymagają wieloetapowego przetwarzania metanu. Dotychczas nikomu nie udało się opracować i skomercjalizować przemysłowych procesów pozwalających na bezpośrednie przetwarzanie metanu”, zauważa koordynatorka projektu Maria Tripiana. Co więcej, przetwarzanie syngazu jest energochłonne i kosztowne. Przyczyną tego stanu rzeczy jest między innymi konieczność usunięcia tlenu z syngazu przed jego przetworzeniem w węglowodory. „W ramach projektu ZEOCAT-3D zastosowaliśmy tańszą i bardziej przyjazną dla środowiska metodę przetwarzania metanu, która pozwala na wyeliminowanie etapów pośrednich. Zastosowaliśmy reakcję chemiczną zwaną dehydroaromatyzacją metanu, która pozwala na jego bezpośrednie przekształcenie w związki aromatyczne i wodór”, wyjaśnia Tripiana. „Benzen oraz naftalen są bardzo interesującymi alternatywami dla ropy naftowej, jeśli bierzemy pod uwagę możliwość produkcji paliw płynnych i wysokowartościowych substancji chemicznych. Co więcej, jednym z produktów tej reakcji jest wodór, który może posłużyć do produkcji amoniaku, może także zostać wykorzystany w ogniwach paliwowych”.
Klucze do sukcesu: katalizatory wykonane w technologii druku 3D i zaawansowane konstrukcje reaktorów
Wszystkie katalizatory wykorzystywane dotychczas w celu przyspieszania reakcji dehydroaromatyzacji metanu charakteryzują się stosunkowo niską wydajnością. Nowe katalizatory opracowane w ramach projektu ZEOCAT-3D rozwiązały dwa ważne problemy utrudniające przeprowadzanie tej reakcji chemicznej – trudność w uzyskiwaniu pożądanych, wysokowartościowych związków wynikającą z wysokiej częstotliwości powstawania niepożądanych produktów ubocznych ze względu na słabą selektywność, a także szybką dezaktywację katalizatora z powodu osadzania się węgla w jego porach w wyniku procesu nazywanego spiekaniem. „Wykorzystując modelowanie hierarchiczne i symulacje, nasz zespół wykazał, że kontrola wielkości nanocząsteczek, a także ich morfologii i stopnia aglomeracji pozwala na rozwiązanie problemu spiekania”, zauważa Tripiana. „W ramach prac wykorzystaliśmy technologię Digital Light Processing w celu syntezy trójwymiarowych zeolitów charakteryzujących się wyższą aktywnością katalityczną. Jesteśmy także pierwszym zespołem, któremu udało się opracować nowatorskie hierarchiczne zeolity obejmujące cztery różne struktury porów. Połączenie dwóch lub większej liczby topologii porów zeolitu w mezoskali daje możliwość optymalizacji transportu nanocząsteczek i selektywnego przetwarzania półproduktów reakcji”, dodaje Tripiana. Prototyp reaktora katalitycznego obejmował układ oczyszczający, który pozwalał na uzyskanie metanu o czystości przekraczającej 95 %, ceramiczną membranę selektywną dla wodoru oraz system filtracji usuwający węglowe cząstki stałe i popiół zawarte w strumieniu produktu. Ten kompaktowy, modułowy reaktor przetwarza obecnie cztery litry przepływającego gazu na minutę i wytwarza 40 gramów wysokowartościowych produktów na godzinę. Projekt ZEOCAT-3D otworzył nowe możliwości w zakresie projektowania nowych katalizatorów i reaktorów pozwalających na wytwarzanie wartościowych produktów, które mogą przyczynić się do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, co może być elementem składowym zrównoważonej gospodarki o obiegu zamkniętym. Rezultaty projektu ZEOCAT-3D będą stanowiły punkt wyjścia dla kolejnych inicjatyw, które zajmą się zwiększaniem poziomu dojrzałości tej technologii.
Słowa kluczowe
ZEOCAT-3D, metan, syngaz, zeolit, paliwa płynne, związki aromatyczne, substancje chemiczne, spiekanie, katalizator wykonany w technologii druku 3D