Журнал «Nature» подтверждает прорыв в Китае в области производства олефинов из угля: высокая эффективность и низкое потребление ресурсов

Thread Content

Журнал «Nature» подтвердил важнейший прорыв в Китае в области производства олефинов из угля: высокая эффективность и низкое потребление ресурсов. Автор/источник: дата: 07.03.2016. Количество просмотров: 16. Недавно международный авторитетный журнал «Nature» снова подтвердил ещё один значимый научно-технический прорыв в Китае. 4 марта Бао Синьхэ, депутат Всекитайского собрания народных представителей, исследователь Дальневосточного института химической физики Китайской академии наук (далее — «Дальневосточный институт химической физики») и академик Китайской академии наук, раскрыл информацию об этих последних исследовательских результатах. 　　Как сообщается, команда под руководством академика Бао Синьхэ (нынешнего исполнительного вице-ректора Фуданьского университета и профессора) и исследователя Пань Сюйлиань добилась значительных прорывов в исследованиях по прямому получению олефинов путем газификации угля. Эти исследования положили конец использованию традиционного метода Фертина, применявшегося в угольной химии на протяжении более 90 лет. Ученые отказались от процесса производства водорода путем водогазовой конверсии, сопровождающегося высоким потреблением воды и энергии, и изобретательно начали использовать синтез-газ, образующийся в результате газификации угля (смесь CO и H2 после очистки). При помощи специального композитного катализатора удалось с высокой степенью селективности получить низкоуглеродные олефины в одном этапе реакции. Таким образом была решена проблема, связанная с противоречием между активностью и селективностью в каталитических реакциях в традиционной угольной химии. Это открытие служит ориентиром для разработки более эффективных катализаторов и процессов каталитических реакций. Этот результат был признан в отрасли «значительным прорывом, ставшим вехой в области преобразования угля». Журнал «Nature» подтверждает важнейший прорыв в Китае в области производства газа из угля: высокая эффективность и низкое потребление ресурсов. 4 марта в Пекине академик Бао Синьхэ представил результаты своих исследований в Физическом институте Китайской академии наук. 　　Алкены являются одним из важнейших сырьевых материалов современной промышленности. Олефины в нашей стране в основном получаются в процессе переработки нефти; это сопряжено с высокими затратами и экологическими проблемами. Поэтому использование угольной химии в качестве альтернативы нефтехимии является одним из новых путей развития энергетики в нашей стране в последние годы. 　　Результаты исследования были опубликованы 4 марта в американском журнале Science, а процесс получения патента был заявлен как в Китае, так и по международной системе PCT. В том же номере журнала «Science» была опубликована статья экспертов под названием «Удивительная селективность» (Surprised by Selectivity), в которой говорится, что в будущем этот процесс может стать чрезвычайно конкурентоспособным в промышленных целях. 　　В 1923 году немецкие ученые Фишер и Тропш изобрели процесс Фишера-Тропша, позволяющий получать высокоуглеродные химикаты и жидкое топливо из угля с использованием синтез-газа. Несмотря на то, что этот процесс не является идеальным: он приводит к выделению большого количества углекислого газа, потребляет много воды, а селективность продуктов низкая; к тому же дальнейшая обработка требует значительных затрат энергии, международное энергетическое и химическое сообщество по-прежнему считает этот процесс незаменимым. 　　В настоящее время этот процесс был изменен исследователями Института химической физики Академии наук Китая в Далиане — они отказались от процесса получения водорода путем преобразования водяного газа, требующего большого количества воды и энергии, и вместо этого использовали смесь газов, образующуюся в результате газификации (после её очистки), для высокоселективного получения низкоуглеродных алкенов. При однонаправленном коэффициенте превращения CO в 17% селективность продуктов с низким содержанием углерода достигает 94%, причем селективность низкомолекулярных алкенов (этилена, пропилена и бутилена) превышает 80%. Был преодолен лимит традиционного процесса синтеза по методу Фишера-Тропша, согласно которому максимальная селективность получения низкоуглеродных алкенов составляла 58% (лимит SF). 　　В традиционном процессе Фисхера-Тропша в качестве катализатора используется металл (в восстановленном состоянии). Молекулы CO на поверхности металлического катализатора активно диссоциируют на атомы C и O. Атомы C и O вступают в реакцию с водородом, адсорбированным на поверхности катализатора, образуя промежуточное вещество метилена (CH2), при этом выделяются молекулы воды. Метиленовые промежуточные продукты проходят процесс свободного полимеризации на поверхности катализатора посредством реакции миграционного вставления, в результате чего образуются углеводородные продукты с разным количеством атомов углерода (от одного до тридцати, а иногда даже до сотен атомов углерода). У гидрокарбонных продуктов реакции наблюдается широкий диапазон числа атомов углерода, что приводит к низкой селективности целевого продукта. В то же время этот процесс требует большого количества водорода для удаления атомов кислорода, образующихся в результате диссоциации CO на поверхности металлического катализатора. Этот ценный водород получается в ходе процесса преобразования водяного пара в водород (CO + H2O → H2 + CO2). Процесс преобразования водяного пара является энергозатратным, при этом выделяется большое количество CO2. 　　В процессе, разработанном исследователями из Даляньского института химических наук, в качестве катализатора используется частично восстановленный комплексный оксид. Молекулы CO адсорбируются на участках катализатора, имеющих дефекты в структуре кислорода, и разлагаются. Молекулы водорода в газообразном состоянии селективно реагируют с атомами углерода, образующимися в результате разложения CO, с образованием радикалов метилена. Атомы кислорода, образующиеся в результате разложения CO на поверхности катализатора, склонны реагировать с другими молекулами CO, в результате чего образуется CO2. В отличие от традиционного процесса F-T, метиловые радикалы, образующиеся на участках с дефектами кислорода, не остаются на поверхности катализатора и не подвергаются реакциям полимеризации на её поверхности. Вместо этого они быстро попадают в поры молекулярного сита, где в условиях ограниченного пространства происходят селективные реакции соединения, в результате чего образуются низкосодержащие углеродом алкины. Это способствует повышению селективности продукта. Путем регулирования пор молекулярных сит и кислотных свойств можно контролируемо изменять молекулы продукта. Журнал Nature подтверждает значительный прорыв в Китае в области производства газа из угля: высокая эффективность и низкое потребление ресурсов. Благодаря этому прорыву, при котором вместо H2 используется CO, удается устранить избыточные атомы кислорода при образовании углеводородов. Таким образом, без изменения общего количества выбросов CO2, удаётся отказаться от процесса преобразования угля в водород и газ, требующего большого количества энергии и воды. Это открывает новый путь для преобразования угля с минимальным использованием воды (при отсутствии цикла воды в процессе). Таким образом, находится ответ на вопрос, который постоянно волновал премьер-министра: возможно ли производство угольной химии без использования воды или с её минимальным использованием. 　　В то же время команда академика Бао Синьхэ с помощью творческого подхода соединила оксидные катализаторы с молекулярными ситами, тем самым удачно обеспечив разделение двух каталитических центров — для активации CO и для связывания промежуточных продуктов. Таким образом, «радикалы», которые в традиционной процедуре Фертиуса образуются бесцельно и без контроля, были заключены в «клетку» (молекулярные сита). Благодаря ограничению их действий они в конечном итоге превращаются в желаемый продукт — низкоуглеродные алкены. Решена проблема «колебаний» между активностью и селективностью в традиционных каталитических реакциях, что служит руководством для проектирования высокоэффективных катализаторов и каталитических процессов. 　　Процесс создания нового изобретения командой академика Бао Синьхэ позволяет не только сократить потребление воды и уменьшить выбросы CO2 в производственном процессе (сокращение времени выполнения операций, снижение энергопотребления), но также приносит значительную экономическую выгоду. По предварительной оценке компании China Petrochemical Engineering Corporation (SEI), при существующих условиях внутренняя норма доходности этого проекта может составлять более 14%. 　　“Наука и технологии должны способствовать «энергетической революции». ”Бао Синьхэ заявил, что многие отечественные и зарубежные химические компании проявляют большой интерес к дальнейшему применению и распространению этого процесса. После тщательной оценки и консультаций Институт химии Даляня уже достиг предварительных договоренностей с ведущими отечественными химическими компаниями и известными зарубежными химическими фирмами. Стороны собираются совместно работать над разработкой катализаторов и производственных процессов, стремясь как можно скорее реализовать промышленные демонстрации и внедрить этот оригинальный результат в практическое использование, превратив его в настоящую производственную силу. 　　Узнав основные принципы процесса производства олефинов с использованием метода ФТТО, доктор Шваб из немецкой компании BASF, который более двадцати лет занимался исследованиями в этой области, с разочарованием сказал: «Почему мы сами не придумали эту идею?» ”Академик Бао Синьхэ с гордостью ответил: «У вас уже много идей, теперь пришла наша очередь». 　　Уверенность в сказанном обусловлена десятилетиями усилий выдающейся исследовательской команды, а также растущими технологическими возможностями Китая в области научных исследований: только над этим исследованием команда потратила более девяти лет, сотрудничая с множеством отечественных научных учреждений, включая источник синхротронного излучения в Хэфэе, и используя различные собственно разработанные передовые исследовательские устройства. За этот период команда, помимо подачи нескольких китайских патентов на изобретения и международных патентов по формату PCT, не опубликовала ни одной статьи по данной тематике. 　　Исследования в рамках соответствующих проектов финансировались **Комитетом по грантам в области естественных наук, Министерством науки и технологий, а также специальной программой стратегических передовых научных исследований Китайской академии наук. Название оригинального текста: «Nature» подтверждает прорыв в производстве газа из угля в Китае: высокая эффективность и низкое потребление ресурсов. Это определенно неправильно, должны быть олефины на основе угля.