211service.com
Metanols: jaunais ūdeņradis
Ūdeņradis ir izpelnījies lielu ažiotāžu kā potenciālu transporta degvielas aizstājēju, lai samazinātu oglekļa dioksīda emisijas un atkarību no fosilā kurināmā. Bet metanols būtu daudz labāks par reaktīvāku un gaistošu ūdeņradi, jaunā grāmatā apgalvo Džordžs Olahs, ķīmiķis un Nobela prēmijas laureāts. Ārpus naftas un gāzes: metanola ekonomika .
Olahs atzīmē, ka metanolam, tīri degošam šķidrumam, būtu nepieciešamas tikai nelielas izmaiņas esošajos dzinējos un degvielas padeves infrastruktūrā (skatiet sadaļu Metanola ekonomika). Un tā ražošanā pat varētu izmantot oglekļa dioksīdu, kas ir globālās sasilšanas avots. Metanola priekšrocības ir izprastas jau sen — tagad nesenie sasniegumi metanola sintēzē un metanola kurināmā elementiem varētu padarīt šo degvielu vēl pievilcīgāku.
Pašlaik aptuveni 90% no pasaulē saražotā metanola (CH3OH) tiek iegūti no metāna (CH4), kas ir galvenā dabasgāzes sastāvdaļa. Mūsdienu metanola ražošanas metodēm ir divi posmi: metāna pārvēršana sintētiskā gāzē, galvenokārt oglekļa monoksīda un ūdeņraža maisījumā, un pēc tam metanolā. Lai gan šīs darbības laika gaitā ir kļuvušas efektīvākas, sintētiskās gāzes posma likvidēšana varētu ietaupīt naudu, jo pašlaik tas veido līdz pat 70 procentiem no metanola ražošanas izmaksām.
Cenšoties novērst šīs izmaksas, Olahs un viņa kolēģi ir izpētījuši veidus, kā metānu tieši pārvērst metanolā. Jūs ņemat metānu un pielīmējat tikai vienu skābekļa atomu, saka Ola, Dienvidkalifornijas universitātes (USC) Loker Ogļūdeņražu pētniecības institūta direktors. Viegli pateikt, bet ne tik viegli izdarāms. Problēma ir tā, ka metāns ir ķīmiski inerts un viegli savienojas ar skābekli tikai augstā temperatūrā. Katalizators palīdz, bet parasti izmantotie katalizatori paši darbojas tikai pie 300 grādiem pēc Celsija vai augstāk. Šajās temperatūrās lielākā daļa saražotā metanola tiek oksidēta par oglekļa dioksīdu un ūdeni. Patiešām, metanola iznākums no šādām reakcijām var būt pat 2 procenti.
Nesen atklātie zemākas temperatūras katalizatori piedāvā labāku ražu, saka Rojs Periana, USC ķīmijas asociētais profesors. Izmantojot katalizatoru uz platīna bāzes, kas izšķīdināts koncentrētā sērskābē 200 grādos pēc Celsija, Periana ir sasniegusi metanola iznākumu vairāk nekā 70 procentus. Tagad viņš meklē lētākus katalizatorus un ir atradis dažus daudzsološus.
Olahs un viņa kolēģe Surja Prakaša, universitātes ķīmijas profesore, ir izstrādājuši alternatīvu metodi metāna pārvēršanai metanolā, izmantojot halogēnu, piemēram, bromu. Īpašu katalizatoru klātbūtnē un temperatūrā, kas ir mazāka par 250 grādiem pēc Celsija, metāns reaģē ar bromu, veidojot metilbromīdu (CH3Br) un bromūdeņradi (HBr). Pēc tam metilbromīds reaģē ar ūdeni, veidojot metanolu. Bromu no bromūdeņraža var iegūt, reaģējot ar gaisu, un izmantot atkārtoti.
Metanola iegūšana no dabasgāzes, kas joprojām ietver fosilo kurināmo un palielina oglekļa dioksīda daudzumu atmosfērā, ir tikai pirmais solis, saka Olahs. Ķīmiķi jau sen zināja, ka metanolu var iegūt, apvienojot oglekļa dioksīdu un ūdeņradi. Šāds process prasa ievērojamu enerģijas daudzumu, piemēram, lai no ūdens iegūtu ūdeņradi, taču šo enerģiju var iegūt no oglekli nesaturošiem avotiem, piemēram, kodolenerģijas vai vēja enerģijas. Viņš saka, ka oglekļa dioksīdu varētu uztvert no dūmgāzēm un galu galā tieši no atmosfēras.
Šādā sistēmā oglekļa dioksīds, kas izdalās, sadedzinot metanolu, tiktu atcelts, pateicoties oglekļa dioksīdam, kas tiek uztverts, lai to izveidotu. Tādējādi process būtu oglekļa neitrāls, un saražotais metanols būtu ērta šķidrā degviela, kas varētu aizstāt uz naftas bāzes ražotas degvielas. Ja oglekļa dioksīds nāk no gaisa un ūdeņradis no ūdens, šī metanola iegūšanas metode būtu kā ātra fotosintēze: mums nav jāgaida, kamēr augi lēnām pārvērš lieko oglekļa dioksīdu ogļūdeņražos, saka Olahs. Mēs varam aizstāt māti dabu.
Olahs uzsver, ka šādi ražotais metanols nebūtu jauns enerģijas avots, bet vienkārši ērts enerģijas uzkrāšanas veids. Tā priekšrocība salīdzinājumā ar ūdeņradi būtu iespēja izmantot esošos dzinējus un infrastruktūru tikai ar nelielām modifikācijām.
Daudzos veidos metanols ar zemo izmešu līmeni un oktānskaitli 100 jau ir labāka degviela iekšdedzes dzinējiem nekā benzīns. Metanola dzinējs var darboties ar lielāku kompresijas pakāpi, un to ir vieglāk atdzesēt. Taču metanolam ir daži trūkumi: tam ir zemāks tvaika spiediens nekā benzīnam, kas padara dzinējus gausus, iedarbinot aukstumu, un tas deg ar neredzamu liesmu, kas var apdraudēt drošību, jo avārijas gadījumā avārijas dienesta darbiniekiem būtu grūti to atklāt. , piemēram. Lai mazinātu šīs problēmas, mūsdienās metanolu parasti sajauc ar 15% benzīna, lai izveidotu degvielas maisījumu, kas pazīstams kā M85.
Metanols ir vēl labāka automobiļu degviela, ja to lieto kopā ar degvielas šūnu tehnoloģiju, saka Pols Eriksons, Kalifornijas Universitātes Deivisas mašīnbūves docents. Kurināmā elementi, kas ķīmisko enerģiju pārvērš tieši elektroenerģijā, ir efektīvāki nekā dzinēji, kas sadedzina degvielu. Jo īpaši ūdeņraža degvielas šūna ir plaši ierosināta kā tīra un efektīva alternatīva ar benzīnu darbināmiem iekšdedzes dzinējiem. Eriksona laboratorijā ir funkcionējoša ūdeņraža kurināmā elementu kopne ar iebūvētu reaktoru, kas pārveido metanolu, lai ražotu ūdeņradi kurināmā elementiem. Mēs pilnībā izvairāmies no ūdeņraža uzglabāšanas, saka Ēriksons.
Tomēr kuģa reformēšana patērē vietu un enerģiju. 1993. gadā Prakash, Olah, un komanda Jet Propulsion Laboratory Pasadenā, Kalifornijā, kopīgi izgudroja degvielas elementu, kas darbojas tieši ar metanola un ūdens maisījumu. Šūnas pozitīvos un negatīvos elektrodus atdala membrāna, kas paredzēta tikai metanola protonu migrācijai no viena elektroda uz otru. Tomēr šīs membrānas sākotnējās versijas ļāva nedaudz metanola nokļūt un reaģēt ar skābekli pie otrā elektroda, kas samazināja šūnas spriegumu un izšķērdēja enerģiju siltuma veidā.
2001. gadā Prakash un viņa kolēģi izstrādāja jaunu membrānu, kas ir gan lētāka, gan izturīgāka pret krosoveriem. Ar šo uzlabojumu tiešās metanola degvielas elementa efektivitāte ir 35 procenti, kas ir aptuveni divas reizes lielāka nekā iekšdedzes dzinējam, taču ievērojami atpaliek no tā teorētiskās efektivitātes 97 procentiem.
Tiešā metanola degvielas šūna pašlaik ir pārāk dārga, lai to izmantotu vieglajos automobiļos. Tā augstās izmaksas galvenokārt rada platīns un rutēnijs, ko izmanto kā katalizatorus. Prakash un citi izstrādā dažādas pieejas, lai samazinātu vajadzīgā katalizatora daudzumu: padara katalizatoru aktīvāku, palielina tā virsmas laukumu un izmanto nanomēroga metodes. Kad šī tehnoloģija nobriest, Ēriksons uzskata, ka tā varētu aizstāt ūdeņraža degvielas elementu. Viņš saka, ka lēta, lieljaudas tiešā metanola kurināmā šūna ir Svētais Grāls.