إنتاج الأوليفينات مباشرة من غازification الفحم (نهاية عصر إنتاج الميثانول من الفحم وإنتاج الأوليفينات من الميثانول)

Thread Content

　مؤخراً، قام الفريق بقيادة الأكاديمي باو شينهه والباحثة بان شيوليان من معهد داليان للكيمياء والفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (يُشار إليه فيما يلي بـ "معهد داليان للكيمياء") بإحداث تحول جذري في مسار فيشر-تروبش (المختصر بـ F-T) الذي اتبعته صناعة الكيماويات من الفحم لأكثر من 90 عاماً؛ حيث استخدموا بشكل مبتكر الغاز الاصطناعي الناتج عن غازة الفحم (وهو خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين بعد تنقيته)، وتحت تأثير نوع جديد من المحفزات المركبة، تم الحصول على الأوليفينات منخفضة الكربون عبر تفاعل خطوة واحدة ذي انتقائية عالية. نُشرت نتائج هذا البحث في 4 مارس بمجلة “ساينس” الأمريكية، وقد تم تسجيل عملية التفاعل هذه كبراءة اختراع في الصين وبراءة اختراع دولية ضمن نظام PCT. وقد وصف الزملاء هذا الإنجاز بأنه “إنجاز تاريخي كبير في مجال تحويل الفحم”. لقد حظيت الأبحاث ذات الصلة بهذه النتائج بتمويل من **صندوق العلوم الطبيعية (21321002، 21425312، 21222305، 91545204)** وغيره. 　　اخترع العالمان الألمان فيشر وتروبش في عام 1923 عملية فايسر-تروبش، وهي عملية تُستخدم لتحويل الفحم إلى مواد كيميائية ذات نسبة كربون عالية ووقود سائل، من خلال استخدام الغاز السينثيتيك. على الرغم من أن هذه العملية ليست مثالية؛ فهي تستهلك كميات كبيرة من الماء، وتنتج كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون، كما أن انتقائية المنتجات فيها ضعيفة، والمعالجة اللاحقة تتطلب طاقة كبيرة، إلا أن الأوساط الدولية في مجالي الطاقة والكيماويات ما زالت تعتبر هذه العملية لا يمكن استبدالها. اليوم، قام الباحثون في معهد داليان للكيمياء بتغيير هذه العملية؛ فقد تخلوا عن طريقة إنتاج الهيدروجين عبر تحويل المياه إلى غاز، والتي تتطلب استهلاكًا كبيرًا للمياه والطاقة، واستخدموا بدلاً من ذلك الغاز الناتج عن تحويل الفحم إلى غاز (بعد تنقيته)، للحصول بشكل انتقائي على الأوليفينات منخفضة الكربون. عندما تبلغ نسبة التحويل الأحادي لغاز أول أكسيد الكربون 17%، تصل الانتقائية للمنتجات الهيدروكربونية منخفضة الوزن الجزيئي إلى 94%، حيث تتجاوز انتقائية الأوليفينات منخفضة الوزن الجزيئي (الإيثيلين والبروبيلين والبيوتيلين) 80%. تم كسر الحد المعتاد لاختيار الأوليفينات منخفضة الكربون في عملية التخليق الفيشر-توخ، والذي كان 58% فقط (حد شولتز-فلوري). 　　تستخدم عملية فيشر-تروبش التقليدية معادنًا (في حالة الاختزال) كعوامل حفازة. يتفكك جزيء CO على سطح المحفز المعدني إلى ذرات الكربون والأكسجين، وتتفاعل ذرات الكربون والأكسجين مع الهيدروجين الممتص على سطح المحفز لتشكيل وسيط الميثيلين (CH2)، مع إطلاق جزيئات الماء في الوقت نفسه. يخضع الوسيط الميثيليني للتبلمر الحر على سطح المحفز من خلال تفاعل الإقحام والانتقال، مما ينتج عنه منتجات هيدروكربونية تحتوي على أعداد مختلفة من ذرات الكربون (من واحدة إلى ثلاثين، وأحيانًا حتى مئات ذرات الكربون). تتنوع توزيع أعداد ذرات الكربون في منتجات الهيدروكربونات الناتجة عن التفاعل بأكمله، وتكون انتقائية المنتج المستهدف منخفضة. في الوقت نفسه، يتطلب هذا proces استهلاك كميات كبيرة من الهيدروجين لإزالة ذرات الأكسجين الناتجة عن تحلل أول أكسيد الكربون على سطح العامل الحفاز المعدني، ويتم الحصول على هذا الهيدروجين الثمين من خلال عملية تحويل الغاز المائي (CO+H2O®H2+CO2)، وهي عملية تستهلك طاقة كبيرة وتطلق كميات ضخمة من ثاني أكسيد الكربون. يعتمد الإجراء الذي طوره الباحثون في معهد داليان للكيمياء على استخدام أكاسيد مركبة مخفضة جزئيًا كمحفزات؛ حيث تترسب جزيئات CO على مواقع العيوب الأكسجينية في المحفز وتتفكك، بينما تتفاعل جزيئات الهيدروجين في الطور الغازي بشكل انتقائي مع ذرات الكربون الناتجة عن التفكك لتكوين جذور الميثيل الحرة. أما ذرات الأكسجين الناتجة عن تفكك جزيئات CO على سطح المحفز، فإنها تميل إلى التفاعل مع جزيء CO آخر لتكوين ثاني أكسيد الكربون. على عكس عملية F-T التقليدية، فإن جذور الحرية الميثيلية التي تتكون في المواقع التي تعاني من نقص الأكسجين لا تبقى على سطح الحفاز أو تخضع لتفاعلات تكثيف على السطح، بل تدخل بسرعة إلى مسام المادة الفلترة الجزيئية، حيث تتم في بيئة محدودة داخل المسام تفاعلات اقتران انتقائية، مما يؤدي إلى تكوين هيدروكربونات أولية منخفضة الكربون، **وبالتالي يزيد ذلك من انتقائية المنتجات. من خلال التحكم في مسام المنخل الجزيئي وخصائصه الحمضية، يمكن تعديل جزيئات المنتج بشكل متحكم فيه. 　　هذا الاختراق، من خلال استخدام أول أكسيد الكربون بدلاً من الهيدروجين للقضاء على الأكسجين الزائد في تكوين الهيدروكربونات، قد تخلص من تفاعل تحويل الغاز المائي الذي يستهلك كميات كبيرة من الطاقة والمياه، دون أن يغير من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون؛ وبذلك فتح طريقاً جديداً من حيث المبدأ لتحويل الفحم باستهلاك منخفض للمياه (ولا يوجد تدوير مائي في هيكلية العملية). وفي الوقت نفسه، من خلال الدمج الإبداعي بين محفزات الأكسيد والمناخرات الجزيئية، تم تحقيق فصل فعال بين مركزي النشاط الحفازي، وهما تنشيط أول أكسيد الكربون واقتران الوسطاء. وبذلك، تم احتواء “الجذور الحرة” التي كانت تنمو بشكل “عشوائي وغير منضبط” في التقنية التقليدية لفيشر-تروبش داخل “قفص” (أي المناخرات الجزيئية)؛ ومن خلال تقييد سلوكها، تحولت في النهاية إلى المنتج المستهدف الذي نريده، وهو الأوليفينات منخفضة الكربون. تم حل مشكلة “التوازن المتناقص” بين النشاط والانتقائية في التفاعلات الحفازة التقليدية، مما يوفر دليلاً لتصميم محفزات فعالة وعمليات تفاعل حفازة أكثر كفاءة. 　　إن عملية الاختراع الجديدة، بالإضافة إلى توفير المياه وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العمليات الإنتاجية (من خلال تقصير مدة العمليات وتقليل استهلاك الطاقة)، فإن لها أيضًا فوائد اقتصادية كبيرة. ووفقًا للتقييم الأولي الذي أجرته شركة الصين لهندسة المشاريع البتروكيماوية (SEI)، فإن معدل العائد الداخلي لهذه العملية يمكن أن يصل إلى أكثر من 14% في الظروف الحالية. تُظهر العديد من الشركات الكيميائية المحلية والدولية اهتمامًا كبيرًا بتوسيع تطبيقات هذه العملية. بعد تقييم ومشاورات دقيقة، توصل معهد داليان للكيمياء حالياً إلى اتفاقيات أولية مع شركات كيميائية كبيرة في الصين وشركات كيميائية عالمية مرموقة، للبدء في التعاون المشترك في مجالات تحضير المحفزات وتطوير العمليات التقنية. ويسعى المعهد إلى تحقيق نماذج صناعية وتطبيقات تجارية في أقرب وقت ممكن، والعمل على تحويل هذه النتائج الابتكارية إلى قوة إنتاجية حقيقية. 　　فقط في هذه الدراسة وحدها، استغرق الفريق أكثر من تسع سنوات، وتعاون مع عدة مؤسسات بحثية محلية بما في ذلك مصدر الإشعاع المتزامن في هيفي، واستخدم أنواعاً متعددة من الأجهزة البحثية المتطورة التي طوروها بأنفسهم.