Mangkin besi China janjikan penghasilan olefin lebih bersih daripada gas sintesis arang batu dan biojisim

Laluan baharu daripada gas sintesis kepada bahan kegunaan harian

Penyelidik China memperkenalkan mangkin nanopartikel berasaskan besi yang menukarkan gas sintesis, iaitu campuran karbon monoksida dan hidrogen yang dikenali sebagai syngas, secara langsung kepada olefin, bahan asas bagi banyak plastik dan getah sintetik. Pasukan itu melaporkan kecekapan jauh lebih tinggi berbanding kaedah sedia ada, penggunaan hidrogen yang lebih baik dalam tindak balas, serta langkah pemprosesan yang lebih sedikit. Kajian ini membuka laluan baharu untuk menghasilkan bahan kimia daripada arang batu, biojisim atau sumber syngas lain tanpa bergantung pada bahan suapan petroleum.

Olefin seperti etilena dan propilena ialah bahan asas untuk pembungkusan, alat ganti kereta, gentian pakaian, detergen, pelarut dan pelekat. Hari ini, kebanyakannya dihasilkan melalui peretakan petroleum pada suhu tinggi atau dengan menukarkan metanol menggunakan mangkin. Kedua-dua laluan itu menggunakan tenaga yang banyak dan menghasilkan aliran sisa, termasuk karbon dioksida. Mangkin baharu ini menggabungkan dua tindak balas kimia dalam satu zarah, sekali gus meningkatkan prestasi keseluruhan dan mengurangkan hasil sampingan yang tidak diingini.

Dalam ujian semakan rakan sebaya, teras karbida besi terubah suai natrium dengan cangkerang oksida besi mencapai pemilihan olefin melebihi 75 peratus dan hasil hidrokarbon kira-kira 33 peratus mengikut berat. Penukaran karbon monoksida meningkat kepada sekitar 95 peratus. Yang penting, kecekapan atom hidrogen, iaitu ukuran jumlah atom hidrogen yang berakhir dalam produk berguna dan bukannya hilang menjadi air atau hasil sampingan lain, mencapai kira-kira 66 hingga 86 peratus. Angka itu jauh lebih tinggi berbanding julat 43 hingga 47 peratus yang dilaporkan bagi pendekatan tradisional. Menurut hasil kajian yang diterbitkan dalam Science, mangkin itu beroperasi secara stabil selama 500 jam dan mengurangkan sisa bagi setiap unit produk hampir separuh.

Kepentingan olefin kepada ekonomi global

Etilena dan propilena menjadi teras rantaian bahan moden. Permintaan global terhadap molekul ini menyokong pengeluaran ratusan juta tan plastik dan elastomer setiap tahun. Peretak wap konvensional menukarkan nafta atau etana kepada molekul ini menggunakan haba yang sangat tinggi. Loji metanol kepada olefin, yang banyak terdapat di China, mula-mula menghasilkan metanol daripada syngas sebelum menukarkannya kepada olefin menggunakan mangkin zeolit. Kedua-dua laluan ini terbukti berkesan, namun melibatkan langkah yang memerlukan banyak tenaga dan menghasilkan pelepasan karbon yang besar.

Banyak wilayah yang mempunyai rizab arang batu yang besar telah membangunkan kompleks arang batu kepada bahan kimia, yang menukarkan arang batu kepada syngas melalui pengegasan. Syngas arang batu lazimnya mengandungi banyak karbon monoksida tetapi agak sedikit hidrogen. Pengeluar sering menambah langkah anjakan gas air yang berasingan untuk meningkatkan kandungan hidrogen sebelum sintesis seterusnya. Setiap langkah tambahan menggunakan stim, meningkatkan kos dan melepaskan lebih banyak CO2. Laluan langsung daripada syngas kepada olefin yang menggunakan hidrogen dengan lebih cekap dan menghapuskan langkah perantaraan boleh mengurangkan penggunaan tenaga serta memudahkan loji.

Di sebalik penemuan ini: cara mangkin besi berfungsi

Kimia syngas telah dikaji selama beberapa dekad. Reka bentuk baharu ini menggunakan teras karbida besi yang diselaputi cangkerang oksida besi berliang, dengan natrium sebagai bahan penggalak. Strukturnya penting. Teras menggalakkan pembentukan hidrokarbon rantai pendek yang menjadi olefin, manakala cangkerang menguruskan air dan karbon monoksida untuk menghasilkan hidrogen tambahan tepat di tempat yang diperlukan oleh teras.

Menggabungkan anjakan gas air dan pembentukan olefin dalam satu zarah

Dua tindak balas asas terlibat. Pertama, tindak balas jenis Fischer Tropsch menukarkan karbon monoksida dan hidrogen kepada hidrokarbon dan air. Langkah ini boleh menghasilkan olefin yang dikehendaki, tetapi turut menghasilkan air yang biasanya membawa hidrogen keluar sebagai sisa. Kedua, tindak balas anjakan gas air menukarkan karbon monoksida dan air kepada hidrogen dan karbon dioksida. Di loji konvensional, langkah anjakan itu berlaku dalam reaktor berasingan, manakala hidrogen digunakan pada peringkat seterusnya.

Dalam mangkin baharu ini, teras karbida besi menghasilkan olefin dan air. Air itu meresap ke dalam cangkerang oksida besi, tempat tindak balas anjakan gas air menukarkannya kepada hidrogen baharu dan CO2. Hidrogen yang terbentuk itu kembali ke teras dan membantu menghasilkan lebih banyak olefin. Kitar semula dalaman ini meningkatkan penggunaan hidrogen dan mengurangkan keperluan nisbah hidrogen kepada karbon monoksida yang tinggi dalam syngas masuk. Syngas daripada arang batu sering mempunyai kandungan hidrogen yang rendah, maka ciri ini penting untuk penggunaan praktikal.

Prestasi yang dilaporkan dalam ujian semakan rakan sebaya

Eksperimen dalam reaktor dasar tetap pada kira-kira 623 K dan 2 MPa menunjukkan pemilihan olefin yang tinggi serta penukaran karbon monoksida yang kukuh. Kecekapan atom hidrogen yang dilaporkan mencapai 66 hingga 86 peratus, jauh lebih baik berbanding kaedah lama yang sukar mengekalkan hidrogen dalam kumpulan produk. Mangkin itu beroperasi selama 500 jam tanpa penyahaktifan ketara. Manfaat yang dilaporkan termasuk penggunaan stim yang lebih rendah, pengurangan air sisa dan penghasilan CO2 yang lebih rendah bagi setiap unit olefin. Gabungan kadar penukaran, pemilihan dan ketahanan menunjukkan reka bentuk ini bukan sekadar penemuan makmal.

Kecekapan atom hidrogen dalam bahasa mudah

Kecekapan atom hidrogen ialah konsep mudah yang membawa kesan praktikal besar. Ia mengukur sejauh mana sesuatu proses mengekalkan atom hidrogen dalam produk bernilai dan bukannya kehilangannya sebagai air atau sisa lain. Proses yang menghasilkan lebih banyak air membazirkan hidrogen. Dalam sintesis langsung syngas kepada olefin, kecekapan atom hidrogen yang rendah sejak sekian lama mengehadkan kecekapan dan meningkatkan pelepasan.

Mangkin bersepadu ini meningkatkan nisbah tersebut dengan menukarkan air hasil sampingan kepada sumber hidrogen tambahan di tapak tindak balas. Ia juga membolehkan operasi menggunakan syngas yang mempunyai nisbah hidrogen kepada karbon monoksida lebih rendah, seperti yang lazim bagi arang batu dan kadangkala bagi pengegasan biojisim. Pelarasan luaran yang lebih sedikit terhadap gas serta pengurangan langkah tambahan menghasilkan penggunaan sumber yang lebih baik dan jejak pemprosesan yang lebih kecil.

Daripada hasil makmal kepada skala industri

Untuk membawa mangkin yang menjanjikan ke unit industri, kestabilan, kemudahan pembuatan dan prestasi yang boleh diramal dalam keadaan loji perlu dipastikan. Kumpulan penyelidikan di China sedang memajukan mangkin besi untuk kimia syngas dalam beberapa bidang. Satu pasukan di Institut Kebangsaan Tenaga Bersih dan Rendah Karbon di Beijing membangunkan mangkin karbida besi fasa tulen untuk olefin alfa linear yang meminimumkan CO2 dengan menggalakkan pembentukan air berbanding laluan langsung kepada CO2. Usaha itu menilai lebih seratus formulasi dan melaporkan kestabilan terma yang tinggi serta sintesis yang mudah, dengan ujian rintis sedang berjalan.

Reka bentuk teras-cangkerang baharu ini selari dengan usaha lebih luas untuk memudahkan penukaran syngas daripada arang batu dan biojisim kepada bahan kimia bernilai tinggi. Loji sebenar perlu mengendalikan komposisi gas yang berubah-ubah, sebatian sulfur atau nitrogen pada kepekatan surih, serta turun naik suhu. Zarah mangkin perlu tahan terhadap pensinteran dan pemendapan karbon. Reka bentuk reaktor, pengurusan haba dan pemisahan produk turut mempengaruhi daya maju ekonomi. Data makmal yang menggalakkan dan ujian kestabilan selama beberapa jam itu masih di peringkat awal, namun hala tujunya jelas. Usaha kini tertumpu pada pembesaran skala, operasi jangka panjang dan demonstrasi dalam kompleks kimia arang batu bersepadu atau rangkaian pengegasan biojisim.

Maksudnya kepada pelepasan karbon

Penggunaan syngas daripada arang batu untuk menghasilkan bahan kimia tetap akan menghasilkan CO2. Tindak balas anjakan gas air sememangnya menghasilkan CO2, manakala proses pengegasan itu sendiri mempunyai jejak karbon. Penambahbaikan di sini berpunca daripada kecekapan atom hidrogen yang lebih tinggi, operasi unit yang lebih sedikit dan penggunaan stim yang berkurangan. Pengurangan langkah mengurangkan keperluan tenaga dan sisa bagi setiap tan produk. Ini tidak menjadikan proses tersebut bebas karbon, tetapi boleh mengurangkan keamatan pelepasan berbanding laluan yang terlebih dahulu menghasilkan metanol sebelum olefin.

Pemilihan bahan suapan penting. Syngas daripada biojisim atau sisa organik membawa karbon biogenik. Jika digabungkan dengan penangkapan dan penyimpanan karbon, imbangan bersih boleh beralih ke arah pengeluaran rendah karbon, malah dalam konfigurasi tertentu mencapai pelepasan bersih negatif. Prinsip mangkin yang sama boleh digunakan merentas sumber syngas. Kemudahan yang mempunyai akses kepada sisa pertanian atau sisa perhutanan boleh menggunakan proses kimia ini untuk mempelbagaikan sumber dan mengurangkan pergantungan pada bahan fosil.

Penambahbaikan mangkin besi yang lain menunjukkan hala tuju serupa. Sistem karbida besi fasa tulen yang mengelakkan oksida besi boleh mengarahkan tindak balas supaya menghasilkan air dan bukannya CO2, sekali gus mengurangkan pelepasan langsung daripada permukaan mangkin. Program penyelidikan di China menyelaraskan inovasi ini dengan matlamat negara untuk mewujudkan sistem perindustrian rendah karbon sambil menjaga keselamatan bekalan bahan kimia.

Perbandingan dengan metanol kepada olefin dan peretak wap

Loji metanol kepada olefin sudah digunakan secara meluas. Loji ini menghasilkan metanol daripada syngas, kemudian menukarkannya kepada olefin menggunakan mangkin zeolit. Rantaian ini menawarkan fleksibiliti dari segi bahan suapan tetapi menambah kerumitan dan penggunaan tenaga. Laluan langsung daripada syngas kepada olefin menghapuskan peringkat metanol. Dengan penggunaan hidrogen yang lebih baik, laluan ini mengurangkan keperluan stim dan CO2 yang berkaitan. Taburan olefin dan hasil sampingan masih bergantung pada reka bentuk mangkin dan keadaan operasi, maka pengeluar akan menilai laluan baharu ini berdasarkan jumlah hasil, campuran produk dan kebolehpercayaan.

Peretakan wap kekal sebagai tunjang utama pengeluaran olefin global. Proses ini berkembang pesat di kawasan yang mempunyai bekalan etana atau nafta berkos rendah, namun memerlukan banyak tenaga dan modal. Wilayah yang mempunyai arang batu atau biojisim yang banyak mungkin menganggap laluan langsung syngas menarik kerana ia menukarkan sumber tempatan kepada bahan kimia asas yang sama. Daya maju ekonomi akan bergantung pada kos mangkin, reka bentuk reaktor, harga tenaga dan dasar yang memberi ganjaran kepada pengurangan pelepasan.

Peranan sisa plastik

Minat semakin meningkat terhadap pencampuran sisa plastik dengan arang batu atau biojisim untuk menghasilkan syngas yang digunakan dalam sintesis kimia. Penyelidikan daripada Makmal Teknologi Tenaga Kebangsaan di Amerika Syarikat menunjukkan bahawa pengegasan bersama arang batu dan sisa plastik boleh menghasilkan syngas yang kaya dengan hidrogen sambil mengurangkan pembentukan tar, terutamanya apabila sisa arang batu yang mengandungi mineral pemangkin semula jadi digunakan. Pendekatan ini menggabungkan pengurusan sisa dengan bekalan bahan suapan untuk kimia syngas.

Pasukan lain sedang mengkaji pirolisis plastik berbantukan gelombang mikro menggunakan mangkin berasaskan besi untuk menghasilkan hidrogen dan nanotub karbon. Proses itu bergantung pada mangkin yang menyerap gelombang mikro untuk menghasilkan titik panas mikro, sekali gus meningkatkan hasil gas dan membentuk bahan karbon bernilai tinggi. Kandungan besi dan pilihan bahan sokongan, seperti karbon teraktif atau karbida silikon, mempengaruhi penghasilan gas dan pertumbuhan nanotub.

Mangkin berasaskan bioarang pula menawarkan satu lagi laluan untuk menaik taraf sisa plastik menjadi bahan api cecair menggunakan bahan boleh guna semula yang lebih murah. Kaedah ini tidak akan menggantikan sintesis olefin, namun boleh melengkapi laluan syngas dengan mengurangkan aliran sisa dan membekalkan bahan suapan alternatif. Gambaran yang muncul ialah satu rangkaian pilihan mangkin untuk menukarkan pelbagai aliran sisa dan sumber kepada produk berguna.

Cabaran dan perkara yang belum diketahui

Walaupun keputusan makmal kukuh, beberapa persoalan perlu dijawab sebelum kimia ini menjadi amalan lazim di loji. Tindak balas anjakan gas air menghasilkan CO2, maka pengurusan karbon masih diperlukan. Penangkapan CO2 pada tekanan dan kepekatan tinggi boleh dilaksanakan, namun menambah kos dan memerlukan infrastruktur. Jangka hayat mangkin perlu dibuktikan selama berbulan-bulan, bukan sekadar ratusan jam. Ketahanan terhadap bahan peracun dalam syngas mentah dan keupayaan memulihkan aktiviti mangkin di dalam sistem juga penting untuk operasi.

Ekonomi akan menentukan penerimaan teknologi ini. Reaktor dan rangkaian pemisahan baharu memerlukan pelaburan. Pengendali akan membandingkan laluan langsung dengan loji metanol kepada olefin dan peretak wap sedia ada berdasarkan modal bagi setiap tan, penggunaan utiliti, penyelenggaraan dan hasil produk. Insentif dasar untuk pengurangan pelepasan, akses kepada bahan suapan biojisim atau sisa, serta kemajuan dalam penangkapan karbon akan mempengaruhi lokasi dan kelajuan teknologi ini berkembang. Kemajuan saintifiknya jelas, namun kemasukan ke pasaran bergantung pada pembesaran skala, pembiayaan dan prestasi yang boleh diharap pada skala industri.

Perkara utama

• Saintis China melaporkan mangkin nanopartikel berasaskan besi yang menukarkan syngas secara langsung kepada olefin dengan kecekapan lebih tinggi dan langkah yang lebih sedikit.
• Mangkin ini menggabungkan pembentukan olefin dengan tindak balas anjakan gas air dalam satu zarah, lalu mengitar semula air hasil sampingan menjadi hidrogen.
• Prestasi yang dilaporkan merangkumi pemilihan olefin melebihi 75 peratus, penukaran karbon monoksida kira-kira 95 peratus dan kecekapan atom hidrogen 66 hingga 86 peratus.
• Ujian kestabilan berlangsung selama 500 jam dan menunjukkan pengurangan sisa kira-kira 46 peratus bagi setiap unit produk, selain keperluan stim dan air sisa yang lebih rendah.
• Pendekatan ini boleh menggunakan syngas daripada arang batu, biojisim atau sumber lain, sekali gus mengurangkan pergantungan pada laluan berasaskan petroleum seperti peretakan wap dan metanol kepada olefin.
• CO2 masih dihasilkan, namun penggunaan hidrogen yang lebih baik dan operasi unit yang lebih sedikit boleh mengurangkan keamatan pelepasan; penggunaan bahan suapan biojisim bersama penangkapan karbon boleh mengurangkan jejaknya lagi.
• Kemajuan selari dalam mangkin karbida besi untuk olefin alfa linear dan penyelidikan sisa kepada syngas menyokong usaha lebih luas ke arah pembuatan bahan kimia rendah karbon.
• Penerimaan komersial bergantung pada jangka hayat mangkin, kejayaan pembesaran skala, pengurusan CO2 dan daya saing ekonomi berbanding teknologi sedia ada.