Ett grönt och ekonomiskt sätt att i ett steg omvandla metan till flytande bränslen
I det EU-finansierade projektet ZEOCAT-3D har man utvecklat en ny teknik för att direkt omvandla metan till högvärdiga aromatiska föreningar – bensen och naftalen – samt vätgas. Den nya processen kan mer effektivt omvandla metan från strandade källor till fraktbara flytande bränslen, och kan även hjälpa industrin att få ner sina växthusgasutsläpp.
En alternativ gas-to-liquids-process i ett steg
Omvandling av metan – huvudkomponenten i naturgas och biogas – till bränslen och utgångsmaterial för kemikalieindustrin kallas ”gas-to-liquids”, gas till vätskor. De flesta tekniktyper går ut på att omvandla metan och koldioxid till en blandning av vätemolekyler och kolmonoxid, s.k. syntesgas. Från syntesgas går det att erhålla olika produkter som olefiner, bensin, diesel och oxygenat genom den väletablerade Fischer-Tropsch-processen. Alternativt kan syntesgas omvandlas till syntetiska bränslen och andra viktiga produkter genom metanol-till-bensin- eller metanol-till-olefin-processer. ”Sådana kommersiella metoder är genomförbara i stor skala men innefattar många olika steg i metanomvandlingen. Fram till nu är det inte några direktprocesser i industriell skala som har utvecklats och kommersialiserats”, upplyser projektsamordnaren Maria Tripiana. Dessutom är omvandling av syntesgas energiintensivt och dyrt, samtidigt som syret måste tas bort från syntesgasen innan den omvandlas till kolväten. ”I ZEOCAT-3D föreslog vi en mer livskraftig och miljövänlig metod för metanomvandling, där man tar bort de mellanliggande stegen. Vi använde en kemisk reaktion som kallas dehydroaromatisering, som direkt omvandlar metan till aromatiska föreningar och väte”, förklarar Tripiana. ”Som alternativ till olja är bensen och naftalen mycket intressanta råmaterial för att producera flytande bränslen och högvärdiga kemikalier. Dessutom utvinns väte som en samprodukt, som kan användas till ammoniakproduktion eller i bränsleceller.”
Nycklarna till framgång: 3D-utskrivna katalysatorer och avancerad reaktordesign
De befintliga katalysatorer som används för att påskynda dehydroaromatiseringen av metanet är inte särskilt effektiva. ZEOCAT-3D:s nya katalysatorer hanterade två stora svårigheter som stod i vägen för denna kemiska reaktion: svårigheten med att erhålla de önskade högvärdiga föreningarna eftersom det ofta bildas oönskade biprodukter (dålig selektivitet), samt snabb inaktivering av katalysatorn pga. kolavsättning i katalysatorporerna, en process som kallas koksning. ”Med hierarkiska modeller och simuleringar visade vi att om man kontrollerar nanopartiklarnas storlek, morfologi och agglomerationsgrad, så är inte koksning längre något hot”, framhåller Tripiana. ”I vårt fall använde vi digital ljusbehandling för att syntetisera tredimensionella zeoliter med högre katalytisk aktivitet. Vi var först med att påvisa nya hierarkiska zeoliter med fyra särskilda porstrukturer inbäddade. Om man sammanför två eller flera topologier med zeolitporer i mesoskala uppstår möjligheten till optimering av transporten av nanopartiklar och selektiv omvandling av reaktionens mellansteg”, tillägger Tripiana. Prototypen till katalytisk reaktor innefattade ett reningssystem som åstadkom metan med en renhet över 95 %, ett väteselektivt keramiskt membran och ett filtreringssystem som avlägsnade partiklar som var inneslutna i produktflödet (antingen kol eller aska). Denna kompakta, modulära reaktor behandlar nu 4 normala liter gasflöde per minut och producerar 40 gram högvärdiga produkter i timmen. ZEOCAT-3D har gett nya insikter i hur man designar högeffektiva katalysatorer och reaktorer för produktion av värdefulla produkter, som potentiellt minskar växthusgasutsläppen. Det hela kan bli ett viktigt steg mot en hållbar cirkulär ekonomi. Resultaten från ZEOCAT-3D blir ett underlag för framtida projekt där den föreslagna tekniken ska tas till en högre mognadsnivå.
Keywords
ZEOCAT-3D, metan, syntesgas, zeolit, flytande bränslen, aromatiska föreningar, kemikalier, koksning, 3D-utskriven katalysator