Nghiên cứu chuyển hóa khí tổng hợp thành olefin đạt bước đột phá lớn

Thread Content

Nghiên cứu về việc chuyển hóa khí tổng hợp thành olefin đã đạt được bước tiến quan trọng. Tác giả/Nguồn: Ngày: 08/10/2016. Số lần xem: 43. Tạp chí Nature đã công bố những kết quả quan trọng vào ngày 6 tháng 10. Nhóm nghiên cứu gồm các nhà khoa học từ Viện Nghiên cứu Cao cấp Thượng Hải thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc và Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực này. Người phụ trách dự án này là nhà nghiên cứu Zhong Liangshu. Đại học Thượng Hải, Đại học Sư phạm Đông Hoa, Viện Vật lý thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc và Viện Hóa học thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc cũng tham gia vào một số công việc trong dự án này. Bằng cách sử dụng cấu trúc vị trí hoạt động của chất xúc tác hoàn toàn mới, nghiên cứu này đã giúp tạo ra các hydrocarbon thơm một cách có chọn lọc cao từ khí tổng hợp trong điều kiện ổn định. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc mở rộng lĩnh vực chuyển hóa khí tổng hợp bằng chất xúc tác. Đồng thời, thành tựu này mang lại hiệu quả kinh tế rất cao, sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành hóa chất từ than ở nước ta. Hình ảnh TEM của chất xúc tác FTO. a, b, Hình ảnh TEM ở độ phóng đại thấp ； c, d, e: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử tần số cao ； Hình minh họa các hạt nano dạng lập phương song song Co2C. Trong lĩnh vực hóa chất năng lượng, olefin là một nguyên liệu hóa chất cơ bản và vô cùng quan trọng, có giá trị gia tăng cao. Nhiều sản phẩm như sợi tổng hợp, cao su tổng hợp, nhựa tổng hợp, dầu bôi trơn chất lượng cao, rượu có hàm lượng carbon cao, nhiên liệu phun độ dày cao… đều được sản xuất từ olefin làm nguyên liệu ban đầu. Do đó, mức độ phát triển của ngành olefin cùng tình hình cân bằng cung - cầu trên thị trường có ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phát triển và quy mô của toàn bộ ngành công nghiệp hóa chất. Trong những năm gần đây, nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên dầu mỏ, các nghiên cứu trong và ngoài nước chủ yếu tập trung vào các phương pháp không sử dụng dầu mỏ, tức là sử dụng than đá hoặc khí tự nhiên để sản xuất các hợp chất olefin một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Quy trình phổ biến hiện nay là: trước tiên, dùng than hoặc khí tự nhiên để tạo ra khí tổng hợp (thành phần chính là carbon monoxide và hydro, tức CO và H2). Sau đó, khí tổng hợp này được chuyển hóa thành methanol. Cuối cùng, thông qua các quy trình chuyển hóa methanol thành các sản phẩm olefin như ethylene và propylene (bao gồm quy trình MTO và MTP). Công nghệ này bao gồm hai bước chính: khí tổng hợp được chuyển hóa thành methanol nhờ chất xúc tác dựa trên đồng; sau đó, methanol được chuyển thành các hợp chất olefin nhờ chất xúc tác dạng màng phân tử. Nếu có thể giảm bớt các bước phản ứng, và tổng hợp các hydrocarbon thẳng từ khí tổng hợp một cách có tính chọn lọc cao, thì quy trình sẽ ngắn hơn và mức tiêu thụ năng lượng cũng sẽ thấp hơn. Quy trình tổng hợp olefin trực tiếp từ khí tổng hợp bằng phản ứng Fischer-Tropsch là quá trình mà trong đó CO và H2, dưới tác động của chất xúc tác, được sử dụng để tổng hợp olefin thông qua phản ứng Fischer-Tropsch (gọi tắt là FT). Hiện nay, những vấn đề chính trong FTO là việc nâng cao tính chọn lọc của các hydrocarbon và kiểm soát hiệu quả sự phân bố của các sản phẩm. Vì FTO là phản ứng giải phóng nhiệt mạnh, lượng nhiệt sinh ra quá lớn có thể gây ra tình trạng quá nhiệt tại một vùng nhất định, dẫn đến hiện tượng nhiệt độ tăng vọt. Điều này lại thúc đẩy quá trình metan hóa và sự hình thành carbon tích tụ. Việc sản sinh ra lượng lớn methane khiến tỷ lệ thu hồi các hợp chất olefin giảm đáng kể. Ngoài ra, trong quá trình tổng hợp FT, olefin với tư cách là một sản phẩm trung gian rất dễ bị phản ứng hydro hóa lần thứ hai, chuyển thành các hydrocarbon bão hòa. Điều này càng làm giảm độ chọn lọc của olefin. Xét thấy rằng con đường tổng hợp olefin từ khí tổng hợp bị hạn chế bởi các yếu tố nêu trên, để đạt được hiệu suất xúc tác FTO tốt, đồng thời có được độ chọn lọc thấp đối với methane và độ chọn lọc cao đối với olefin, việc phát triển những cấu trúc vị trí xúc tác hoàn toàn mới là điều cần thiết. Sản xuất các hợp chất olefin một cách trực tiếp và hiệu quả từ khí tổng hợp có nguồn gốc than. Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Chuyển đổi ít carbon thuộc Viện Nghiên cứu Tiên tiến Thượng Hải của Viện Khoa học Trung Quốc chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu các công nghệ cốt lõi để chuyển đổi các nguồn tài nguyên chứa carbon thành các sản phẩm có giá trị. Phòng thí nghiệm này cũng liên tục nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và hiệu suất của các chất xúc tác trong quá trình chuyển đổi khí tổng hợp, cũng như nghiên cứu và phát triển các chất xúc tác mới. Gần đây, phòng thí nghiệm chuyển hóa khí thải ít carbon đã sáng tạo ra một loại xúc tác hoàn toàn mới. Người ta nhận thấy rằng trong điều kiện phản ứng ôn hòa (250 oC và 1–5 atm), loại xúc tác này có thể giúp tổng hợp các hydrocarbon từ khí tổng hợp một cách có tính chọn lọc cao. Tỷ lệ chọn lọc để tạo ra metan có thể xuống còn 5%, trong khi tỷ lệ chọn lọc để tạo ra các hydrocarbon ít carbon có thể lên tới 60%. Tổng tỷ lệ chọn lọc để tạo ra các hydrocarbon là trên 80%. Ngoài ra, tỷ lệ giữa hydrocarbon và alkane cũng có thể lên tới trên 30. Những con số này cho thấy hiệu suất FTO của loại xúc tác này rất tốt. Để xác định bản chất của các vị trí hoạt động của chất xúc tác, phòng thí nghiệm này đã tiến hành nghiên cứu chi tiết mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất hoạt động, kết hợp với các phép tính lý thuyết. Kết quả cho thấy cấu trúc của các vị trí hoạt động này là những khối lập phương song song có thành phần bề mặt là {101} và {020} của Co2C. Các kết quả liên quan đến công việc nói trên đã được công bố trên tạp chí Nature. Dựa trên đặc điểm tài nguyên của nước ta là thiếu dầu mỏ, ít khí đốt nhưng lại giàu than đá, công nghệ này có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như mang lại hiệu quả kinh tế cao. Hiện nay, Viện Nghiên cứu Cao cấp Thượng Hải thuộc Viện Khoa học Trung Quốc đã ký thỏa thuận hợp tác với các đối tác như Tập đoàn Lüan của tỉnh Sơn Tây. Hai bên dự định cùng nhau phối hợp trong lĩnh vực sản xuất chất xúc tác ở quy mô lớn, thiết kế bình reaktor và phát triển các quy trình công nghệ liên quan. Mục tiêu là sớm thực hiện các dự án mẫu ở quy mô công nghiệp và thúc đẩy sự phát triển ngành hóa chất từ than ở Trung Quốc.