Учёные Томского политехнического университета предложили новые каталитические системы для переработки синтез-газа методом Фишера-Тропша. Этот процесс позволяет превращать смесь оксида углерода и водорода в жидкие углеводороды — основу для экологичного топлива и других ценных химических продуктов.

Эксперименты томских ученых показали, что катализаторы на основе нанопорошков кобальта, полученных методом электрического взрыва проводника, демонстрируют высокую активность даже при низком содержании водорода в исходном газе. Как считают ученые, это делает их перспективными для переработки синтез-газа, который получают при пиролизе биомассы или из других нетрадиционных источников. Результаты исследования опубликованы в международном журнале Catalysts.

Поиск альтернатив нефтяному топливу остаётся одной из ключевых задач современной химической инженерии. Реакция Фишера-Тропша уже давно привлекает внимание учёных как способ получения синтетических жидких топлив из угля, природного газа и биомассы. Однако до сих пор не существовало технологических решений и каталитических систем, которые обеспечивали бы стабильно высокий выход жидких продуктов, пригодных для использования в автомобильных бензинах, дизельном топливе, авиационном керосине или смазочных материалах. Основная проблема большинства получаемых продуктов — высокое содержание непредельных углеводородов, которые снижают эксплуатационные характеристики топлива. Кроме того, не хватало эффективных методов получения катализаторов для переработки синтез-газа с низким содержанием водорода.

В мировой практике для синтеза жидких углеводородов методом Фишера-Тропша применяют различные каталитические системы. Особый интерес вызывают катализаторы на основе ультрадисперсных металлических порошков, в частности кобальта. Его активность в этом процессе давно известна и хорошо изучена. Однако сотрудники Томского политеха пошли дальше: они исследовали каталитические свойства нанопорошка кобальта, полученного методом электрического взрыва проводника.

Доцент отделения химической инженерии ТПУ Евгений Попок пояснил, чем уникальны такие порошки. Электровзрывные металлические порошки обладают высокой поверхностной энергией и большим количеством дефектов кристаллической решётки на поверхности. Эти особенности и обеспечивают им высокую каталитическую активность в различных процессах. К тому же нанопорошки кобальта, полученные этим методом, просты в производстве, имеют невысокую стоимость и устойчивы к спеканию. Это делает их особенно перспективными для переработки синтез-газов с большим содержанием примесей.

Для получения материала учёные пропускали импульсный ток высокой плотности через кобальтовую проволоку диаметром один миллиметр в инертной среде. В результате получили высокодисперсный порошок, который затем спрессовали в таблетки, размололи до фракции размером от 0,5 до одного миллиметра и загрузили в лабораторную каталитическую установку, работающую под повышенным давлением.

После этого исследователи определили химический и фазовый состав, морфологию поверхности и каталитические свойства полученного материала. Они оценивали степень конверсии оксида углерода, выход жидких и газообразных продуктов, включая метан и диоксид углерода, а также подбирали оптимальные параметры процесса: температуру, давление, скорость подачи сырья и соотношение водорода с оксидом углерода.

Эксперименты подтвердили высокую активность нового катализатора. В диапазоне температур от 230 до 330 градусов Цельсия общая степень конверсии оксида углерода составила от 25 до 90 процентов. Наиболее эффективным оказался интервал от 230 до 260 градусов — при этих температурах выход побочных газообразных продуктов оставался низким. Важным результатом стала способность нанопорошка кобальта эффективно работать с исходным синтез-газом, в котором мало водорода. Это открывает перспективы его использования для переработки газов пиролиза биомассы и других нетрадиционных источников. Кроме того, в ходе длительных испытаний катализатор продемонстрировал устойчивость к дезактивации в рабочих условиях.

Фото: news.tpu.ru

Lx: 4081