Sabatier tepkisi - Sabatier reaction

Paul Sabatier (1854-1941) 1912'de Kimyada Nobel Ödülü'nü kazandı ve 1897'de reaksiyonun kaşifi

Sabatier Reaksiyon veya Sabatier işlemi üreten metan bir reaksiyonundan ve su , hidrojen ile karbon dioksitin bir bazın varlığında yükseltilmiş sıcaklıklarda (optimal olarak 300-400 ° C) ve basınçta (belki de 3 MPa) nikel katalizörü . Fransız kimyagerler Paul Sabatier ve Jean-Baptiste Senderens tarafından 1897'de keşfedildi . İsteğe bağlı olarak, alümina (alüminyum oksit) üzerindeki rutenyum daha verimli bir katalizör yapar. Aşağıdaki ekzotermik reaksiyon ile tanımlanır .

 Δ * H = -165,0 kJ / mol kadar

CO olup anlaşmazlık vardır 2 metanasyon ilk birleştirilebilirlik bir adsorbe ile gerçekleşir adatom hidrojen ve hidrojenasyon öncesi oksijen ara maddelerinin oluşturulması ya da ayrışan ve bir şekillendirme karbonil hidrojene önce.

 Δ * H = -206 kJ / mol kadar

CO metanasyon karbon oksijen bağı sadece bu nedenle yüksek H gözlemlenen bir birleştirici bir mekanizma ile hidrojenasyon öncesi kırık disosiyatif mekanizma yoluyla ortaya çıktığına inanılmaktadır 2 konsantrasyonları.

Farklı taşınan bir metal üzerinde metanasyon Reaksiyon katalizörler Ni, Ru ve Rh dahil olmak üzere yaygın CH üretimi için araştırılmıştır 4 den sentez gazı gaz girişimlerine ve diğer güç. Nikel, yüksek seçiciliği ve düşük maliyeti nedeniyle en yaygın kullanılan katalizördür.

Uygulamalar

Sentetik doğal gazın yaratılması

Metanasyon, sentetik veya ikame doğal gazın (SNG) oluşturulmasında önemli bir adımdır . Kömür veya odun, yalnızca son bir arıtma adımından geçmesi gereken kullanılabilir bir gaz üretmek için metanasyona uğraması gereken bir üretici gaz oluşturan gazlaştırmaya tabi tutulur.

İlk ticari sentetik gaz tesisi 1984'te açıldı ve Beulah, Kuzey Dakota'daki Great Plains Synfuel tesisidir. Halen faaldir ve karbon kaynağı olarak kömür kullanarak 1500 MW değerinde SNG üretmektedir. Açılışından bu yana geçen yıllarda, talaş gibi diğer karbon kaynakları kullanılarak başka ticari tesisler açıldı.

Fransa'da Nantes'ta bulunan AFUL Chantrerie, Kasım 2017'de gösterici MINERVE'yi başlattı. 14 Nm3/gün'lük bu metanasyon ünitesi, Top Industrie tarafından Leaf'in desteğiyle gerçekleştirilmiştir. Bu kurulum, bir CNG istasyonunu beslemek ve doğal gaz kazanına metan enjekte etmek için kullanılır.

Rüzgar, güneş fotovoltaik, hidro, deniz akımı vb. tarafından üretilen fazla elektriği su elektrolizi yoluyla hidrojen yapmak ve müteakip Sabatier reaksiyonunun metan yapmak için kullanmak için yenilenebilir enerji ağırlıklı bir enerji sisteminde görülmüştür. Taşıma veya enerji depolama uygulamaları için doğrudan hidrojen kullanımının aksine, metan, birçok ülkede bir ila iki yıllık depolama kapasitesine sahip olan mevcut gaz şebekesine enjekte edilebilir. Metan daha sonra yenilenebilir enerji üretiminin düşük noktalarını aşarak elektrik (ve ısı-kombine ısı ve güç) üretmek için talep üzerine kullanılabilir. İşlem (kısmen yakıt hücrelerinde doğrudan kullanılabilir) hidrojen ve karbon dioksit CO ilave oluşturmak için elektrik ile suyun elektroliz edilmesidir 2 metan oluşturmak için (Sabatier işlemi). CO 2 hava ya da fosil yakıt atık gazlardan elde edilebilir amin işlemi bir çok diğerleri arasında,. Düşük CO 2 sistemidir ve günümüzün enerji sistemine benzer verimliliklere sahiptir.

Almanya'da 2013 yılında 6 MW'lık bir elektrik-gaz santrali üretime geçti ve 1500 Audi A3 filosuna güç sağladı.

amonyak sentezi

Amonyak üretimi ve CO 2 olarak kabul edilir zehirler en yaygın olarak kullanılan katalizörlere. Metan, amonyak sentez hızları üzerinde benzer olumsuz etkilere sahip olmadığından, amonyak sentez döngüsünde karbon oksit birikmesini önlemek için birkaç hidrojen üretme adımından sonra metanlaştırma katalizörleri eklenir.

Uluslararası Uzay İstasyonu yaşam desteği

Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki oksijen jeneratörleri, elektroliz kullanarak sudan oksijen üretiyor ; üretilen hidrojen daha önce uzaya atılmıştı. Astronotlar oksijen tüketirken, karbondioksit üretilir, bu da daha sonra havadan uzaklaştırılması ve atılması gerekir. Bu yaklaşım, insan tüketimi, hijyen ve diğer kullanımlar için kullanılana ek olarak, oksijen üretimi için uzay istasyonuna düzenli olarak bol miktarda su taşınmasını gerektiriyordu - bu, düşük Dünya yörüngesinin ötesinde gelecekteki uzun süreli görevler için kullanılamayacak bir lüks. .

NASA , Sabatier reaksiyonunu, solunan karbondioksitten ve daha önce Uluslararası Uzay İstasyonundaki elektrolizden atılan hidrojenden ve muhtemelen gelecekteki görevler için geri kazanmak için kullanıyor. Ortaya çıkan diğer kimyasal metan, uzaya salınır. Girilen hidrojenin yarısı metan olarak israf edildiğinden, farkı telafi etmek için Dünya'dan ek hidrojen sağlanır. Ancak bu, su, oksijen ve karbon dioksit arasında neredeyse kapalı bir döngü yaratır ve bu döngü, sürdürmek için yalnızca nispeten az miktarda ithal hidrojen gerektirir.

Solunumun diğer sonuçlarını göz ardı ederek, bu döngü şöyle görünür:

Atık metan, 1200 °C'de yüksek verim (%95'e kadar dönüşüm) elde edilebilen piroliz yoluyla bileşen parçalarına ayrılırsa, döngü daha da kapatılabilir :

Serbest bırakılan hidrojen daha sonra Sabatier reaktörüne geri dönüştürülecek ve kolayca çıkarılabilen bir pirolitik grafit tortusu bırakacaktır . Reaktör, çelik bir borudan biraz daha fazla olacak ve tortunun kesildiği bir astronot tarafından periyodik olarak servis edilebilecek.

Alternatif olarak, ilmek kısmen (H% 75 kapalı olması 2 CH 4 karbon olarak gaz halinde kilitli tutarken atık metan eksik pirolizi ile geri) asetilen :

Bosch, reaksiyon aynı zamanda bu amaç için NASA ile incelendi ve bir edilmektedir:

Bosch reaksiyonu, atık olarak yalnızca atomik karbon üreten tamamen kapalı bir hidrojen ve oksijen döngüsü sunacaktır. Bununla birlikte, 600 °C'ye kadar olan sıcaklığı muhafaza etmedeki zorluklar ve karbon birikintilerini düzgün bir şekilde ele almadaki zorluklar, bir Bosch reaktörünün gerçeğe dönüşebilmesi için önemli ölçüde daha fazla araştırma yapılması gerektiği anlamına geliyor. Bir problem, elementel karbon üretiminin, reaksiyonun verimliliğine zarar veren katalizörün yüzeyini (koklaşma) kirletme eğiliminde olmasıdır.

Mars'ta üretim yakıtı

Sabatier reaksiyonu, yerinde kaynak kullanımı yoluyla insan misyonunun Mars'a ( Mars Direct , SpaceX Starship ) maliyetini düşürmede önemli bir adım olarak önerildi . Hidrojen CO ile birleştirilir 2 metan daha sonra yakıt olarak saklanır ve su yan ürünü olan, atmosferden elektrolize oksijen sıvılaştırılmış ve reaktöre geri devri daim için oksitleyici ve hidrojen gibi depolanacak ürün elde edildi. Orijinal hidrojen, Dünya'dan taşınabilir veya Mars'ın su kaynaklarından ayrılabilir.

Hidrojen ithal etmek

Su için arama hidrojen kaçınır bir miktar içe ve sadece CO kullanan 2 atmosferden.

"Temel Sabatier metanasyon reaksiyonunun bir varyasyonu, Mars atmosferinde karbon dioksit kullanılarak Mars'ta bulunan ham maddelerden metan üretmek için karışık bir katalizör yatağı ve tek bir reaktörde ters su gazı değişimi yoluyla kullanılabilir. 2011 prototip testi CO hasat bu işlem 2 , bir simüle Mars atmosferden ve H ile reaksiyona sokularak 2 hemen hemen% 100 bir dönüşüm oranı sağlamak, birbirini takip eden 5 gün süre ile özerk bir şekilde çalışan, 1 kg / günlük bir hızda üretilen metan roket itici. bir bu sistemin optimize "50 kg toplanıyor tasarım 1 kg / O gün üretmek üzere öngörülmektedir 2 CH: 4 tüketirken (700 W bir sürekli güçte) ~ 98 bir metan saflıkta elektrik gücü günde 17 kWh +% itici ... . Optimize edilmiş sistemden beklenen genel birim dönüşüm oranı, 17 MWh enerji girişi başına bir ton itici gazdır."

Hidrojen ithal ederken stokiyometri sorunu

Stokiyometrik oksitleştiriciden ve yakıt oranı 2: 1, bir oksijen: metan motoru:

Bununla birlikte, Sabatier reaktöründen bir geçiş, yalnızca 1:1'lik bir oran üretir. Su-gaz kaydırma reaksiyonunu (WGSR) tersine (RWGS) çalıştırarak daha fazla oksijen üretilebilir , karbondioksiti karbon monoksite indirgeyerek atmosferden oksijeni etkin bir şekilde çıkarır .

Diğer bir seçenek, gerekenden daha fazla metan yapmak ve fazlasını karbon ve hidrojene pirolize etmektir (yukarıdaki bölüme bakınız), burada hidrojen daha fazla metan ve su üretmek için reaktöre geri döndürülür. Otomatik bir sistem olarak, karbon birikmesi sıcak Mars CO ile üfürme işlemi yaparak uzaklaştırılabilir 2 (karbon monoksitin içine karbon oksitleyici, Boudouard tepkimesi havalandırılır).

Stokiyometri sorununa dördüncü bir çözüm , Sabatier reaksiyonunu ters su-gaz kayması (RWGS) reaksiyonu ile tek bir reaktörde aşağıdaki gibi birleştirmek olacaktır:

Bu reaksiyon hafifçe ekzotermiktir ve su elektrolize edildiğinde 2:1'lik bir oksijen/metan oranı elde edilir.

Hangi oksijen sabitleme yönteminin kullanıldığına bakılmaksızın, genel süreç aşağıdaki denklemle özetlenebilir:

Moleküler kütlelere baktığımızda, 20:1 kütle kazancı için 4 gram hidrojen kullanarak (Mars suyu elektrolize edilmedikçe Dünya'dan ithal edilmesi gerekirdi) 16 gram metan ve 64 gram oksijen ürettik; ve metan ve oksijen, bir roket motorunda yakılmak için doğru stokiyometrik orandadır. Bu tür yerinde kaynak kullanımı, önerilen herhangi bir insanlı Mars veya numune iade görevlerinde büyük ağırlık ve maliyet tasarrufu sağlayacaktır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar