211service.com
Metanolis: naujasis vandenilis
Vandenilis sulaukia daug ažiotažų kaip galimas transporto kuro pakaitalas, siekiant sumažinti anglies dvideginio išmetimą ir priklausomybę nuo iškastinio kuro. Tačiau metanolis būtų daug geresnis už reaktyvesnį ir lakesnį vandenilį, naujoje knygoje teigia chemikas ir Nobelio premijos laureatas George'as Olahas. Be naftos ir dujų: metanolio ekonomika .
Olah pažymi, kad metanoliui, švariai degančiam skysčiui, reikėtų tik nedidelių esamų variklių ir degalų tiekimo infrastruktūros pakeitimų (žr. „Metanolio ekonomika“). O jo gamyboje netgi būtų galima panaudoti anglies dioksidą, kuris yra visuotinio atšilimo šaltinis. Metanolio pranašumai jau seniai suprantami – dabar dėl naujausių metanolio sintezės ir metanolio kuro elementų pasiekimų šis kuras gali būti dar patrauklesnis.
Šiuo metu apie 90 procentų visame pasaulyje pagaminamo metanolio (CH3OH) gaunama iš metano (CH4), pagrindinės gamtinių dujų sudedamosios dalies. Šiuolaikiniai metanolio gamybos metodai susideda iš dviejų etapų: metano pavertimas sintetinėmis dujomis, daugiausia anglies monoksido ir vandenilio mišiniu, o vėliau metanoliu. Nors šie žingsniai laikui bėgant tapo efektyvesni, pašalinus sintezės dujų etapą būtų galima sutaupyti pinigų, nes šiuo metu tai sudaro iki 70 procentų metanolio gamybos sąnaudų.
Siekdami sumažinti šias išlaidas, Olah ir jo kolegos ištyrė būdus, kaip metaną paversti tiesiai į metanolį. Jūs paimate metaną ir prilimpate tik vieną deguonies atomą, sako Olah, Pietų Kalifornijos universiteto (USC) Loker angliavandenilių tyrimų instituto direktorius. Lengvai pasakyta, bet ne taip lengvai padaroma. Problema ta, kad metanas yra chemiškai inertiškas ir lengvai susijungia su deguonimi tik esant aukštai temperatūrai. Katalizatorius padeda, tačiau patys dažniausiai naudojami katalizatoriai veikia tik 300 laipsnių Celsijaus ar aukštesnėje temperatūroje. Esant tokioms temperatūroms, didžioji dalis pagaminto metanolio oksiduojasi iki anglies dioksido ir vandens. Iš tiesų, metanolio išeiga per tokias reakcijas gali siekti 2 procentus.
Neseniai atrasti žemesnės temperatūros katalizatoriai siūlo geresnį derlių, sako Roy Periana, USC chemijos docentas. Naudodama platinos pagrindo katalizatorių, ištirpintą koncentruotoje sieros rūgštyje 200 laipsnių Celsijaus temperatūroje, Periana pasiekė daugiau nei 70 procentų metanolio išeigą. Dabar jis ieško pigesnių katalizatorių ir rado keletą perspektyvių.
Olah ir jo kolega Surya Prakash, universiteto chemijos profesorė, sukūrė alternatyvų metodą metanui paversti metanoliu, naudojant halogeną, pavyzdžiui, bromą. Esant specialiems katalizatoriams ir esant žemesnei nei 250 laipsnių Celsijaus temperatūrai, metanas reaguoja su bromu ir susidaro metilo bromidas (CH3Br) ir vandenilio bromidas (HBr). Tada metilo bromidas reaguoja su vandeniu, sudarydamas metanolį. Bromas iš vandenilio bromido gali būti išgaunamas reaguojant su oru ir pakartotinai naudojamas.
Metanolio gamyba iš gamtinių dujų (kuriose vis dar naudojamas iškastinis kuras ir padidina anglies dioksido kiekį atmosferoje) yra tik pirmas žingsnis, sako Olah. Chemikai jau seniai žinojo, kad metanolis gali būti pagamintas derinant anglies dioksidą ir vandenilį. Tokiam procesui reikia daug energijos, pavyzdžiui, vandeniliui surinkti iš vandens, tačiau ši energija gali būti gaunama iš anglies neturinčių šaltinių, tokių kaip branduolinė ar vėjo energija. Jis sako, kad anglies dioksidas gali būti surinktas iš išmetamųjų dujų ir galiausiai tiesiai iš atmosferos.
Tokioje sistemoje anglies dioksidas, išsiskiriantis deginant metanolį, būtų panaikintas dėl sugaunamo anglies dioksido. Taigi procesas būtų neutralus anglies dioksido atžvilgiu, o pagamintas metanolis būtų patogus skystas kuras, galintis pakeisti naftos pagrindu pagamintus degalus. Jei anglies dioksidas gaunamas iš oro, o vandenilis – iš vandens, šis metanolio gamybos būdas būtų kaip greita fotosintezė: mums nereikia laukti, kol augalas lėtai pavers anglies dioksido perteklių angliavandeniliais, sako Olah. Mes galime pakeisti motiną gamtą.
Olah pabrėžia, kad tokiu būdu pagamintas metanolis būtų ne naujas energijos šaltinis, o tiesiog patogus energijos kaupimo būdas. Jo pranašumas prieš vandenilį būtų galimybė naudoti esamus variklius ir infrastruktūrą su nedideliais pakeitimais.
Daugeliu atžvilgių dėl mažo išmetamųjų teršalų kiekio ir 100 oktaninio skaičiaus metanolis jau yra geresnis kuras vidaus degimo varikliams nei benzinas. Metanolinis variklis gali veikti esant didesniam suspaudimo laipsniui ir yra lengviau aušinamas. Tačiau metanolis turi tam tikrų trūkumų: jo garų slėgis yra mažesnis nei benzino, todėl varikliai vangiai užvedami šaltai, be to, jis dega nematoma liepsna, o tai gali kelti pavojų saugai, nes avarijos metu avariniams darbuotojams būtų sunku jį pastebėti. , pavyzdžiui. Siekiant sumažinti šias problemas, metanolis šiandien paprastai maišomas su 15 procentų benzinu, kad būtų sukurtas kuro mišinys, žinomas kaip M85.
Metanolis yra dar geresnis automobilių kuras, kai naudojamas kartu su kuro elementų technologija, sako Paulas Ericksonas, Kalifornijos universiteto Deiviso mechanikos inžinerijos docentas. Kuro elementai, kurie cheminę energiją tiesiogiai paverčia elektra, yra efektyvesni nei kurą deginantys varikliai. Visų pirma vandenilio kuro elementas buvo plačiai siūlomas kaip švari ir efektyvi alternatyva benzinu varomiems vidaus degimo varikliams. Eriksono laboratorijoje yra veikianti vandenilio kuro elementų magistralė su integruotu reaktoriumi, kuris pertvarko metanolį ir gamina vandenilį kuro elementams. Mes visiškai vengiame laikyti vandenilį, sako Ericksonas.
Tačiau laivo reformavimas sunaudoja vietos ir energijos. 1993 m. Prakašas (Olah) ir Reaktyvinio varymo laboratorijos komanda Pasadenoje, Kalifornijoje, kartu išrado kuro elementą, kuris veikia tiesiogiai metanolio ir vandens mišiniu. Ląstelės teigiami ir neigiami elektrodai yra atskirti membrana, skirta tik protonams iš metanolio migruoti iš vieno elektrodo į kitą. Tačiau ankstyvosios šios membranos versijos leido šiek tiek metanolio prasiskverbti ir reaguoti su deguonimi ant antrojo elektrodo, o tai sumažino ląstelės įtampą ir eikvoja energiją šilumos pavidalu.
2001 m. Prakashas ir jo kolegos sukūrė naują membraną, kuri yra ir pigesnė, ir atsparesnė kryžminiam perėjimui. Dėl šio patobulinimo tiesioginio metanolio kuro elemento efektyvumas yra 35 proc., maždaug dvigubai didesnis nei vidaus degimo variklio, bet gerokai mažesnis už teorinį 97 proc.
Tiesioginio metanolio kuro elementas šiuo metu yra per brangus, kad jį būtų galima naudoti lengvuosiuose automobiliuose. Jo didelę kainą daugiausia lemia platina ir rutenis, naudojami kaip katalizatoriai. Prakash ir kiti kuria įvairius būdus, kaip sumažinti reikalingo katalizatoriaus kiekį: daro katalizatorių aktyvesnį, padidina jo paviršiaus plotą ir taiko nanoskalės metodus. Kai ši technologija subręs, Ericksonas mano, kad ji gali pakeisti vandenilio kuro elementą. Jis sako, kad nebrangus, didelės galios tiesioginio metanolio kuro elementas yra Šventasis Gralis.