Nangangako ang iron catalyst ng China ng mas malinis na olefin mula sa syngas ng karbon at biomass

Bagong paraan mula syngas tungo sa mga materyales na pang-araw-araw

Ipinakilala ng mga mananaliksik na Tsino ang isang katalistang nanoparticle na nakabatay sa bakal. Direktang ginagawa nitong olefin ang synthesis gas, isang halo ng carbon monoxide at hydrogen na kilala bilang syngas. Mahalagang sangkap ang mga olefin sa paggawa ng maraming plastik at sintetikong goma. Ayon sa pangkat, mas mataas nang malaki ang kahusayan nito kaysa sa mga umiiral na pamamaraan, mas mahusay nitong nagagamit ang hydrogen sa reaksiyon, at mas kaunti ang mga hakbang sa proseso. Nag-aalok ang pag-aaral ng bagong paraan upang makagawa ng mga kemikal mula sa karbon, biomass, o iba pang pinagmumulan ng syngas nang hindi umaasa sa mga hilaw na materyales mula sa petrolyo.

Mga pangunahing sangkap ang mga olefin gaya ng ethylene at propylene sa paggawa ng pambalot, piyesa ng sasakyan, hibla para sa damit, detergent, solvent, at pandikit. Karamihan sa mga ito ngayon ay ginagawa sa pamamagitan ng pag-crack ng petrolyo gamit ang matinding init o pag-convert ng methanol sa tulong ng mga katalista. Malaki ang enerhiyang kinokonsumo ng dalawang paraang ito at lumilikha ang mga ito ng mga duming inilalabas, kabilang ang carbon dioxide. Pinagsasama ng bagong katalista ang dalawang reaksiyong kemikal sa loob ng iisang particle, kaya napapataas ng pinagsamang epekto ang kahusayan at nababawasan ang mga di-nais na byproduct.

Sa mga pagsusuring dumaan sa peer review, nakamit ng core na iron carbide na binago ng sodium at binalutan ng iron oxide ang mahigit 75 porsiyentong selectivity sa olefin at humigit-kumulang 33 porsiyentong yield ng hydrocarbon batay sa timbang. Umabot sa humigit-kumulang 95 porsiyento ang conversion ng carbon monoxide. Higit sa lahat, umabot sa humigit-kumulang 66 hanggang 86 porsiyento ang hydrogen atom economy, na sumusukat kung gaano karaming hydrogen atom ang napupunta sa kapaki-pakinabang na produkto sa halip na mawala sa tubig o iba pang byproduct. Mas mataas ito nang malaki kaysa sa 43 hanggang 47 porsiyentong iniulat para sa mga tradisyonal na pamamaraan. Matatag na umandar ang katalista sa loob ng 500 oras at halos hinati nito ang dami ng basurang nalilikha sa bawat yunit ng produkto, ayon sa mga resultang inilathala sa Science.

Bakit mahalaga ang mga olefin sa pandaigdigang ekonomiya

Nasa sentro ng makabagong supply chain ng mga materyales ang ethylene at propylene. Sinusuportahan ng pandaigdigang pangangailangan sa mga molekulang ito ang paggawa ng daan-daang milyong tonelada ng plastik at elastomer bawat taon. Ginagawang ethylene at propylene ng mga karaniwang steam cracker ang naphtha o ethane sa pamamagitan ng matinding init. Sa mga planta ng methanol to olefins, na marami ay nasa China, unang ginagawang methanol mula sa syngas ang feedstock at saka ito kino-convert sa olefin gamit ang mga zeolite catalyst. Napatunayan na ang dalawang prosesong ito, ngunit nangangailangan ang mga ito ng mga hakbang na malakas kumonsumo ng enerhiya at lumilikha ng malaking emisyon ng carbon.

Nagtayo ang maraming rehiyong may saganang reserba ng karbon ng mga kompleks na naggagawang kemikal mula sa karbon sa pamamagitan ng gasification nito upang maging syngas. Karaniwang sagana sa carbon monoxide ngunit kulang sa hydrogen ang syngas mula sa karbon. Madalas magdagdag ang mga prodyuser ng hiwalay na water gas shift step upang dagdagan ang hydrogen bago ang kasunod na synthesis. Bawat dagdag na hakbang ay kumokonsumo ng singaw, nagpapataas ng gastos, at naglalabas ng mas maraming CO2. Makababawas sa paggamit ng enerhiya at makapagpapasimple sa mga planta ang direktang prosesong syngas-to-olefin na mas mahusay gumamit ng hydrogen at nag-aalis ng mga intermediate na hakbang.

Ang likod ng tagumpay: kung paano gumagana ang iron catalyst

Ilang dekada nang pinag-aaralan ang kimika ng syngas. Gumagamit ang bagong disenyo ng core na iron carbide na nababalutan ng buhaghag na iron oxide shell, at sodium bilang promoter. Mahalaga ang pagkakaayos ng mga ito. Pabor ang core sa pagbuo ng maiikling hydrocarbon chain na nagiging olefin, samantalang pinangangasiwaan ng shell ang tubig at carbon monoxide upang makalikha ng dagdag na hydrogen sa mismong lugar na kailangan ito ng core.

Pagsasama ng water gas shift at pagbuo ng olefin sa iisang particle

Dalawang pangunahing reaksiyon ang nagaganap. Una, ginagawang hydrocarbon at tubig ng reaksiyong uri ng Fischer Tropsch ang carbon monoxide at hydrogen. Nakalilikha ang hakbang na ito ng mga ninanais na olefin, ngunit gumagawa rin ito ng tubig na karaniwang nagdadala palayo sa hydrogen bilang basura. Ikalawa, ginagawang hydrogen at carbon dioxide ng water gas shift reaction ang carbon monoxide at tubig. Sa mga tradisyonal na planta, nagaganap ang shift step sa hiwalay na reactor, at ginagamit ang hydrogen sa mas huling yugto.

Sa bagong katalista, gumagawa ng olefin at tubig ang iron carbide core. Kumakalat ang tubig na iyon papunta sa iron oxide shell, kung saan ginagawa itong sariwang hydrogen at CO2 ng water gas shift reaction. Bumabalik ang bagong nalikhang hydrogen sa core at tumutulong sa pagbuo ng mas maraming olefin. Pinahuhusay ng panloob na pag-recycle na ito ang paggamit ng hydrogen at binabawasan ang pangangailangan sa mataas na ratio ng hydrogen sa carbon monoxide sa pumapasok na syngas. Madalas mababa ang bahagdan ng hydrogen sa syngas mula sa karbon, kaya mahalaga ang katangiang ito para magamit ang teknolohiya sa aktuwal na operasyon.

Mga resultang iniulat sa mga pagsusuring dumaan sa peer review

Sa mga eksperimento gamit ang fixed bed reactor sa humigit-kumulang 623 K at 2 MPa, nakitaan ng mataas na selectivity sa olefin at malakas na conversion ng carbon monoxide. Umabot sa 66 hanggang 86 porsiyento ang iniulat na hydrogen atom economy, na higit na mahusay kaysa sa mga lumang pamamaraang nahihirapang mapanatili ang hydrogen sa mga produktong kapaki-pakinabang. Umabot ng 500 oras ang pagtakbo ng katalista nang walang malaking paghina ng aktibidad. Kabilang sa mga iniulat na pakinabang ang mas mababang konsumo ng singaw, mas kaunting maruming tubig, at mas kaunting nalilikhang CO2 sa bawat yunit ng olefin. Ipinahihiwatig ng pinagsamang antas ng conversion, selectivity, at tibay na higit pa sa simpleng eksperimento sa laboratoryo ang disenyong ito.

Ang hydrogen atom economy sa payak na paliwanag

Payak na konsepto ang hydrogen atom economy, ngunit malaki ang praktikal na epekto nito. Sinusukat nito kung gaano kahusay na napapanatili ng isang proseso ang mga hydrogen atom sa mahahalagang produkto sa halip na mawala ang mga ito bilang tubig o iba pang basura. Mas maraming hydrogen ang nasasayang sa mga prosesong lumilikha ng mas maraming tubig. Matagal nang hadlang sa kahusayan at dahilan ng mas mataas na emisyon ang mababang hydrogen atom economy sa direktang synthesis ng olefin mula sa syngas.

Pinahuhusay ng pinagsamang katalista ang proporsiyong ito sa pamamagitan ng paggawa sa byproduct na tubig bilang karagdagang pinagmumulan ng hydrogen sa mismong lugar ng reaksiyon. Nagbibigay-daan din ito sa paggamit ng syngas na may mas mababang ratio ng hydrogen sa carbon monoxide, na karaniwan sa gasification ng karbon at kung minsan ay ng biomass. Nagiging mas mahusay ang paggamit ng mga mapagkukunan at mas maliit ang saklaw ng prosesong kailangan kapag mas kaunti ang kailangang panlabas na pagbabago sa gas at mas kaunti ang dagdag na hakbang.

Mula resulta sa laboratoryo tungo sa antas-industriya

Kailangan ng katatagan, kadalian sa paggawa, at mahuhulaang pagganap sa mga kondisyon ng planta upang maisalin sa yunit-industriyal ang isang maaasahang katalista. Itinutulak ng mga pangkat ng pananaliksik sa China ang pagbuo ng mga iron catalyst para sa kimika ng syngas sa ilang larangan. Bumuo ang isang pangkat sa National Institute of Clean and Low Carbon Energy sa Beijing ng katalistang purong iron carbide para sa mga linear alpha olefin. Binabawasan nito ang CO2 sa pamamagitan ng pagpapabor sa pagbuo ng tubig sa halip na mga direktang prosesong lumilikha ng CO2. Sinuri sa pagsisikap na iyon ang mahigit isang daang pormulasyon at iniulat ang mataas na katatagan sa init at payak na synthesis; nagpapatuloy na ang mga pilot test.

Bahagi ang bagong core-shell na disenyo ng mas malawak na pagsisikap na pasimplehin ang pagproseso ng syngas mula sa karbon at biomass tungo sa mga kemikal na may mataas na halaga. Kailangang kayanin ng mga tunay na planta ang pabagu-bagong komposisyon ng gas, bakas na sulfur o nitrogen compounds, at pabago-bagong temperatura. Dapat ding hindi madaling magsinter at mabalutan ng carbon ang mga particle ng katalista. Nakaaapekto rin sa ekonomiya ang disenyo ng reactor, pamamahala sa init, at paghihiwalay ng produkto. Maaga pa ang nakapagpapasiglang datos sa laboratoryo at mga pagsusuri ng katatagan na tumagal nang maraming oras, ngunit malinaw ang direksiyon. Nakatuon na ngayon ang gawain sa pagpapalaki ng produksyon, mga operasyong pangmatagalan, at pagpapakita ng teknolohiya sa loob ng pinagsamang mga kompleks na kemikal mula sa karbon o mga linya ng gasification ng biomass.

Ang kahulugan nito para sa mga emisyon ng carbon

Maglalabas pa rin ng CO2 ang paggamit ng syngas mula sa karbon sa paggawa ng mga kemikal. Sadyang lumilikha ng CO2 ang water gas shift reaction, at may carbon footprint din ang mismong gasification. Nagmumula ang pagbuti rito sa mas mataas na hydrogen atom economy, mas kaunting operasyon ng yunit, at mas mababang paggamit ng singaw. Kapag nabawasan ang mga hakbang, bumababa rin ang pangangailangan sa enerhiya at basurang nalilikha sa bawat tonelada ng produkto. Hindi nito ginagawang walang carbon ang proseso, ngunit maaari nitong bawasan ang tindi ng mga emisyon kumpara sa mga prosesong unang gumagawa ng methanol at saka ng olefin.

Mahalaga ang pagpili ng feedstock. May tatak na biogenic carbon ang syngas mula sa biomass o organikong basura. Kung isasama ito sa carbon capture and storage, maaaring maging mababa ang netong carbon ng produksyon at, sa ilang partikular na pagsasaayos, maaari pa itong maging negatibo. Maaaring gamitin ang parehong prinsipyo ng katalista sa iba't ibang pinagmumulan ng syngas. Magagamit ng mga pasilidad na may access sa mga tira-tirang pananim o basura mula sa paggugubat ang prosesong ito upang mabawasan ang pag-asa sa mga fossil fuel.

Tumuturo rin sa katulad na direksiyon ang iba pang pagsulong sa iron catalyst. Maaaring ituon ng mga sistemang purong iron carbide na umiiwas sa iron oxide ang mga reaksiyon sa paggawa ng tubig sa halip na CO2, kaya nababawasan ang direktang emisyon mula sa ibabaw ng katalista. Iniaayon ng mga programang pananaliksik sa China ang mga inobasyong ito sa mga pambansang layunin para sa industriyal na sistemang mas mababa ang carbon, habang pinangangalagaan ang seguridad ng suplay ng mga kemikal.

Paghahambing sa methanol to olefins at mga steam cracker

Laganap na ang mga planta ng methanol to olefins. Gumagawa ang mga ito ng methanol mula sa syngas at saka ito kino-convert sa olefin gamit ang mga zeolite catalyst. Flexible ang prosesong ito sa pagpili ng feedstock, ngunit nagdaragdag ito ng komplikasyon at konsumo ng enerhiya. Inaalis ng direktang prosesong syngas-to-olefin ang yugto ng methanol. Sa mas mahusay na paggamit ng hydrogen, binabawasan nito ang pangangailangan sa singaw at kaugnay na CO2. Nakadepende pa rin sa disenyo ng katalista at mga kondisyon ng pagpapatakbo ang distribusyon ng mga olefin at byproduct, kaya susuriin ng mga prodyuser ang bagong proseso batay sa kabuuang yield, hanay ng mga produkto, at pagiging maaasahan.

Nananatiling pangunahing paraan ng pandaigdigang produksyon ng olefin ang steam cracking. Matagumpay ito sa mga lugar na may murang ethane o naphtha, ngunit malakas itong kumonsumo ng enerhiya at nangangailangan ng malaking puhunan. Maaaring maging kaakit-akit sa mga rehiyong sagana sa karbon o biomass ang direktang proseso gamit ang syngas dahil ginagawa nitong kaparehong mahahalagang kemikal ang mga lokal na mapagkukunan. Nakadepende ang ekonomiya nito sa gastos ng katalista, disenyo ng reactor, presyo ng kuryente, at mga patakarang nagbibigay-gantimpala sa mas mababang emisyon.

Ang papel ng basurang plastik

Lumalaki ang interes sa paghahalo ng basurang plastik sa karbon o biomass upang makagawa ng syngas na gagamitin sa chemical synthesis. Ipinakita ng pananaliksik ng National Energy Technology Laboratory sa Estados Unidos na kayang gumawa ng syngas na mayaman sa hydrogen ang co-gasification ng karbon at basurang plastik habang binabawasan ang pagbuo ng alkitran, lalo na kapag ginamit ang basura mula sa karbon na may likas na mineral na nagsisilbing katalista. Pinag-uugnay ng pamamaraang ito ang pamamahala ng basura at ang suplay ng feedstock para sa kimika ng syngas.

Sinusuri naman ng ibang mga pangkat ang microwave-assisted pyrolysis ng plastik gamit ang mga katalistang nakabatay sa bakal upang makagawa ng hydrogen at carbon nanotube. Umaasa ang prosesong ito sa mga katalistang sumisipsip ng microwave upang lumikha ng maliliit na puntong napakainit, na nagpapataas ng produksyon ng gas at lumilikha ng mga materyal na carbon na may mataas na halaga. Nakaaapekto kapwa sa produksyon ng gas at paglaki ng nanotube ang dami ng iron at ang pagpili ng suporta, gaya ng activated carbon o silicon carbide.

Nag-aalok naman ng isa pang paraan ang mga katalistang nakabatay sa biochar: ginagawa nilang likidong gatong ang basurang plastik gamit ang mga materyal na mas mura at nagagamit muli. Hindi papalitan ng mga pamamaraang ito ang synthesis ng olefin, ngunit maaari silang umakma sa mga prosesong gumagamit ng syngas sa pamamagitan ng pagpapaliit sa mga daloy ng basura at pagbibigay ng alternatibong feedstock. Nagpapakita ang mga umuusbong na teknolohiyang ito ng hanay ng mga opsiyon sa catalysis upang gawing kapaki-pakinabang na produkto ang iba't ibang daloy ng basura at mapagkukunan.

Mga hamon at hindi pa alam

Sa kabila ng magagandang resulta sa laboratoryo, may ilang tanong pang kailangang sagutin bago maging karaniwan sa mga planta ang kimikang ito. Lumilikha ng CO2 ang water gas shift reaction, kaya kailangan pa rin ang pamamahala sa carbon. Posibleng kumuha ng CO2 sa mataas na presyon at konsentrasyon, ngunit nagdaragdag ito ng gastos at nangangailangan ng imprastraktura. Kailangang mapatunayan ang haba ng buhay ng katalista sa loob ng maraming buwan, hindi lamang daan-daang oras. Mahalaga rin sa operasyon ang kakayahan nitong lumaban sa mga lason sa hilaw na syngas at maibalik ang aktibidad nito habang nasa planta.

Ekonomiya ang magtatakda kung tatanggapin ang teknolohiyang ito. Nangangailangan ng pamumuhunan ang mga bagong reactor at linya ng paghihiwalay. Ihahambing ng mga operator ang direktang proseso sa mga nakasanayang linya ng methanol to olefins at steam cracker batay sa puhunan kada tonelada, paggamit ng mga utilidad, pagpapanatili, at kita mula sa produkto. Makaaapekto sa kung saan at gaano kabilis kakalat ang teknolohiya ang mga insentibo sa patakaran para sa mas mababang emisyon, access sa biomass o basurang feedstock, at pagsulong sa carbon capture. Hindi maikakaila ang pag-unlad sa agham, ngunit nakadepende ang pagpasok nito sa merkado sa pagpapalaki ng produksyon, pagpopondo, at maaasahang pagganap sa antas-industriya.

Mahahalagang punto

• Iniulat ng mga siyentistang Tsino ang isang katalistang nanoparticle na nakabatay sa bakal na direktang nagko-convert ng syngas tungo sa olefin nang mas mahusay at sa mas kaunting hakbang.
• Pinagsasama ng katalista ang pagbuo ng olefin at ang water gas shift reaction sa iisang particle, at nire-recycle nito ang tubig na byproduct upang maging hydrogen.
• Kabilang sa iniulat na pagganap ang mahigit 75 porsiyentong selectivity sa olefin, humigit-kumulang 95 porsiyentong conversion ng carbon monoxide, at 66 hanggang 86 porsiyentong hydrogen atom economy.
• Tumagal nang 500 oras ang mga pagsusuri ng katatagan at ipinahiwatig ng mga ito ang humigit-kumulang 46 porsiyentong bawas sa basura sa bawat yunit ng produkto, gayundin ang mas mababang pangangailangan sa singaw at pagproseso ng maruming tubig.
• Maaaring gamitin sa prosesong ito ang syngas mula sa karbon, biomass, o iba pang pinagmumulan, kaya nababawasan ang pag-asa sa mga prosesong nakabatay sa petrolyo gaya ng steam cracking at methanol to olefins.
• May nalilikha pa ring CO2, ngunit maaaring mapababa ng mas mahusay na paggamit ng hydrogen at mas kaunting operasyon ng yunit ang tindi ng mga emisyon. Mas mapapaliit pa ang carbon footprint kung isasama ang carbon capture at feedstock mula sa biomass.
• Sinusuportahan ng kasabay na pagsulong sa mga iron carbide catalyst para sa linear alpha olefin at pananaliksik sa paggawa ng syngas mula sa basura ang mas malawak na pag-unlad tungo sa industriyal na produksyon ng mga kemikal na mas mababa ang carbon.
• Nakadepende ang pagtanggap ng industriya sa haba ng buhay ng katalista, tagumpay sa pagpapalaki ng produksyon, pamamahala sa CO2, at kakayahang makipagkompetensiya sa ekonomiya sa mga umiiral na teknolohiya.