Reakcja Sabatiera

Reakcji Sabatier lub proces Sabatier , jest reakcja chemiczna , odkryta w 1897 roku przez francuskich chemików Paul Sabatier i Jean-Baptiste Senderens , dzięki czemu możliwe jest wytwarzanie CH 4 metan.i woda H 2 Oz dwutlenku węgla CO 2i wodór H 2na wysoką temperaturę i ciśnienie - najlepiej od 300 do 400 °C . Proces ten nazywany jest również uwodornienie CO 2 w metan lub metanizacji CO 2. Reakcja jest egzotermiczna i stechiometrycznej przemiany węgiel wydziela dwutlenek 164 kilodżuli na mol .

{\ displaystyle {\ ce {CO2 {} + 4H2 -> [{} \ na szczycie 400 \ ^ {\ circ} {\ ce {C}}] [{\ ce {ciśnienie}}] CH4 {} + 2H2O}} }

∆ H = -165,0 kJ / mol. (równanie 1)

Metanizacja dwutlenku węgla umożliwia chemiczne magazynowanie energii elektrycznej w przypadku, gdy dostarczany wodór jest wytwarzany metodą elektrolizy (PtG - Power-to-Gas )

Mechanizm reakcji

Metanizacja CO 2 (równanie 1) jest liniową kombinacją metanizacji tlenku węgla CO (równanie 2) i odwrotnej reakcji gazu do wody (równanie 3).

Mechanizm tej reakcji nie jest w pełni zrozumiałe, i nie jest jasne, czy metanizacji dwutlenku węgla rozpoczyna się adsorpcję asocjacyjny o adatom z grupy obejmującej atom wodoru , z wytworzeniem związku pośredniego tlenem przed uwodornieniem lub dysocjacji dając karbonylową przed uwodornieniem.

CO + 3 H 2⟶ CH 4+ H 2 O ; ∆ H = - 206 kJ / mol . (równanie 2) CO 2 + H 2 ↔ CO + H 2 O; ∆ H = 41 kJ / mol. (równanie 3)

Suma tych dwóch reakcji daje reakcję Sabatiera oraz wartość jej entalpii reakcji:

CO 2 + 4 H 2⟶ CH 4+ 2 H 2 O ; ∆ H = - 165 kJ / mol . (równanie 1)

Uważa się, że metanizacja karbonylowa obejmuje mechanizm dysocjacyjny, w którym wiązanie węgiel - tlen zostaje zerwane przed uwodornieniem w mechanizmie asocjacyjnym obserwowanym tylko przy wysokim stężeniu wodoru. Kilka katalizatorów metalowych zostało szczegółowo zbadanych, w szczególności na bazie niklu , rutenu i rodu do produkcji metanu z gazu syntezowego i innych zastosowań do konwersji energii na gaz; nikiel pozostaje najczęściej stosowanym środkiem ze względu na jego wysoką selektywność i niski koszt. Natura nośnika odgrywają ważną rolę w interakcji pomiędzy niklu i podłożem, i w ten sposób określa katalityczną aktywność i selektywność do metanizacji CO 2 . Typowym nośnikiem handlowym dla procesu jest tlenek glinu Al 2 O 3

Aplikacje

Produkcja syntetycznego gazu ziemnego

Metanizacji z tlenków węgla jest ważnym etapem w produkcji syntetycznego gazu (w) lub podstawienia (GNS). Sposób że zawiera zgazowujące z węgla lub drewna uzyskania metanu zwykłą oczyszczania gazów - zasadniczo tlenek węgla CO oraz wodór H 2 - po ich metanizacji.

Pierwsza komercyjna instalacja produkująca syntetyczny gaz ziemny została zainaugurowana w 1984 roku przez Dakota Gasification Company (w) w Beulah w Północnej Dakocie ; 30 lat później nadal działał, wytwarzając z węgla i materiałów węglowych równowartość 1500 MW syntetycznego gazu ziemnego. Od tego czasu otwarto inne obiekty wykorzystujące inne źródła węgla, takie jak wióry drzewne .

Kataliza do syntezy amoniaku

CO i CO 2są truciznami dla większości katalizatorów stosowanych do produkcji amoniaku NH 3, dzięki czemu katalizatory metanizacji są dodawane po kilku etapach produkcji wodoru , aby zapobiec gromadzeniu się CO i CO 2w instalacjach syntezy amoniaku, ponieważ metan ma znacznie mniejszy wpływ niż tlenki węgla na tempo produkcji amoniaku.

System podtrzymywania życia na międzynarodowej stacji kosmicznej

Generatory tlenu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej produkują tlen O 2przez elektrolizę wody H 2 O, który uwalnia wodór H 2. Następnie do oddychania z astronautów przekształca tlen do dwutlenku węgla CO 2. Wodór i dwutlenek węgla to zazwyczaj odpady wyrzucane w kosmos, co powoduje znaczną utratę wody i nie jest dobrym rozwiązaniem w przypadku długich misji. Reakcja Sabatiera pozwala, poprzez dostarczenie dodatkowego wodoru, zregenerować wodę z dwutlenku węgla i wodoru wytwarzanego przez oddychanie astronautów oraz przez elektrolizę wody przeznaczonej do produkcji tlenu. Byłoby to możliwe do zamknięcia cyklu jeszcze przez odzyskiwanie wodoru zawartego w metan, na przykład za pomocą pirolizy , która może być kompletny i produkty sadzy , uwalniając wszystkie atomy wodoru, albo niekompletny i produkty acetylen. C 2 H 2 uwalniając tylko 75% wodoru, reszta musi być sprowadzona z zewnątrz, aby zasilić cykl:

CH 4⟶ C + 2 H 2 ; 2 kanały 4⟶ C 2 H 2+ 3 godz. 2.

Reakcja Bosch oferuje również alternatywę badanych przez NASA :

CO 2+ 2 H 2⟶ C + 2 H 2 Odo 600 ° C .

Ta reakcja umożliwiłaby przetrwanie w obiegu zamkniętym, ale wymaga temperatury 600 °C , trudnej do utrzymania w statku kosmicznym, i generuje węgiel, który ma tendencję do zmiany powierzchni katalizatora poprzez koksowanie , co utrudnia jego skuteczną realizację w przestrzeni.

Produkcja paliwa na Marsie przez ISRU

Reakcja Sabatiera została zaproponowana jako kluczowy element w obniżeniu kosztów załogowych misji na Marsa , takich jak Mars Direct i Interplanetary Transport System , poprzez wykorzystanie zasobów in situ ( ISRU ). Ma to na celu wykorzystanie dwutlenku węgla z atmosfery Marsa , który w ponad 95% składa się z CO 2, do produkcji metanu CH 4, używany jako paliwo , oraz woda H 2 O, ten ostatni jest z kolei poddawany elektrolizie z wytworzeniem tlenu O 2, używany jako utleniacz , oraz wodór H 2, zawracany do redukcji metanu na początku cyklu. Wodór potrzebny do rozpoczęcia cyklu mógłby być sprowadzony z Ziemi lub wyprodukowany bezpośrednio na miejscu poprzez elektrolizę marsjańskiej wody .

Możliwe jest połączenie reakcji Sabatiera z odwrotną reakcją gazu wodnego ( RWGS ) w jednym reaktorze w celu bezpośredniego wykorzystania dwutlenku węgla z atmosfery Marsa oraz wody z gleby lub ziemskiej atmosfery Marsa do produkcji metanu. Prototyp tego reaktorze wytworzono w 2011 pracuje autonomicznie przez pięć dni wytworzenia 1 kg na metan / tlen propelenta dziennie z CO 2ekstrahowany z odtworzonej atmosfery marsjańskiej z wydajnością bliską 100%. Zoptymalizowany 50 kilogram wersję tego typu reaktora „powinno być 1 kg / dzień w O 2 propelent./ CH 4(...) o czystości 98% metanu i zużycia 700 W do prądu elektrycznego . Przelicznik dla zoptymalizowanej jednostki tego typu to jedna tona paliwa na 17 MWh .

Stosunek stechiometryczny mieszania pomiędzy utleniaczem a środkiem redukującym wynosi 2:1 w przypadku propelentu tlen/metan:

CH 4+ 2 O 2⟶ CO 2+ 2 H 2 O.

Jednak reaktor Sabatiera wytwarza tlen i metan w stosunku 1:1; odwrotna reakcja gazu na wodę może następnie dostarczyć brakujący tlen w postaci wody do elektrolizy:

CO 2+ H 2⟶ CO + H 2 O.

Park energetyczny Morbach

Proces ten umożliwia również magazynowanie nadwyżek energii z energii słonecznej lub wiatrowej w postaci metanu. Konkretnym osiągnięciem istnieje (od 2011) w Niemczech , że Parku Energii Morbach .

Uwagi i referencje

Uwagi

(fr) Ten artykuł jest częściowo lub w całości zaczerpnięty z anglojęzycznego artykułu Wikipedii zatytułowanego " Reakcja Sabatier " ( patrz lista autorów ) .

Bibliografia

(w) Stefan Rönsch Jens Schneider, Steffi Matthischke Michael Schluter, Manuel Götz, Jonathan Lefebvre Praseeth Prabhakaran Bajohr Siegfried, „ Przegląd metanizacji – od podstaw do bieżących projektów ” , Paliwo ,2016( przeczytaj online )
(w) Jonathan Lefebvre, Manuel Götz Siegfried Bajohra Rainer Reimert Thomas Kolb, „ Poprawa wydajności trójstopniowego reaktora metanizacji dla pracy w stanie ustalonym i nieustalonym ” , Technologia przetwarzania paliwa ,2015( przeczytaj online )
(w) Bin Miao, Su Su Khine Ma, Xin Wang, Haibin Su i Siew Hwa Chan , „ Mechanizmy katalizy CO 2 i metanizacja CO ” , Catalysis Science & Technology , tom. 12 N O 6,2016, s. 4048-4058 ( DOI 10.1039/C6CY00478D , przeczytaj online )
(w) nokaut Xaviera, R. Sreekala, KKA Rashida, KKM Yusuffa i B. Sena , „ Dopingujące działanie tlenku ceru to Ni/Al 2 O 3 katalizatory metanizacji ” , Catalysis Today , tom. 49, n kości 1-324 lutego 1999 r., s. 17-21 ( DOI 10.1016/S0920-5861 (98) 00403-9 , przeczytaj online )
(w) Toshimasa Utaka, Tatsuya Takeguchi Ryuji Kikuchi i Koichi Eguchi , „ Usuwanie CO z reformowanych paliw na katalizatorach miedzi i metali szlachetnych ” , Stosowana Kataliza A: Ogólne , tom. 246 n o 1, 25 czerwca 2003 r., s. 117-124 ( DOI 10.1016 / S0926-860X (03) 00048-6 , czytaj online )
(w) Stefan Rönsch Jens Schneider, Steffi Matthischke Michael Schluter, Manuel Götz, Jonathan Lefebvre Praseeth Prabhakaran i Siegfried Bajohr , „ Przegląd metanizacji – od podstaw do bieżących projektów ” , Paliwo , tom. 166, 15 lutego 2016, s. 276-296 ( DOI 10.1016/j.fuel.2015.10.111 , przeczytaj online )
(w) Antonio Ricca, LiviaTruda Vincenzo Palma, „ Studium roli nośnika chemicznego i struktury nośnika w reakcji metanizacji CO2 ” , Chemical Engineering Journal ,2018( przeczytaj online )
(w) styczeń Kopyscinski, Tilman J. Schildhauer i Serge MA Biollaz , „ Produkcja syntetycznego gazu ziemnego (SNG) z węgla i suchej biomasy – przegląd technologii od 1950 do 2009 ” , Paliwo , tom. 89 N O 8, sierpień 2010, s. 1763-1783 ( DOI 10.1016 / j.fuel.2010.01.027 , przeczytaj online )
(w) Kayvan Khorsand Mehdi A. Marvast, Pooladian Narges i Majid Kakavand , „ Modelowanie i symulacja metanizacji reaktora katalitycznego w jednostce amoniaku ” , Ropa naftowa i węgiel , tom. 49, n o 1, 2007, s. 46-53 ( czytaj online )
(w) Pete Harding, „ Doki Soyuz TMA-01M z załogami ISS przeprowadzają instalację sprzętu ” na https://www.nasaspaceflight.com/ , NASA , 9 października 2010(dostęp 19 kwietnia 2019 ) .
(w) „ The Sabatier System: Producing Water on the Space Station ” na https://www.nasa.gov/ , NASA , 12 maja 2011(dostęp 19 kwietnia 2019 ) .
(w) PK Sharma, D. Rapp i NK Rahotgi, „ Piroliza metanowa i usuwanie powstałego węgla”. " [PDF] , na https://www.lpi.usra.edu/ , USRA , 11 czerwca 1999 r.(dostęp 19 kwietnia 2019 ) .
(w) „ Metody produkcji wody ” na https://settlement.arc.nasa.gov/ , NASA , 25 lipca 1999 r.(dostęp 19 kwietnia 2019 ) .
(w) Jeanna Bryner, „ Giant Pool of Water Ice at Mars' South Pole ” na https://www.space.com/ , Space.com , 15 marca 2007 r.(dostęp 20 kwietnia 2019 ) .
(w) Sergio Adan-Plaza, Mark Hilstad, Kirsten Carpenter, Chris Hoffman, Laila Elias, Matt Schneider, Rob Grover i Adam Bruckner, „ Extracting of Atmospheric Water on Mars Reference Mission for the March ” na https: // www . lpi.usra.edu/ , USRA (dostęp 20 kwietnia 2019 r . ) .
(w) Robert M. Zubrin, Anthony C. Muscatello i Mark Berggren , „ Zintegrowany marszowy system produkcji paliwa pędnego in situ ” , Okrągły Stół Zasobów Kosmicznych VII: Konferencja LEAG na temat eksploracji Księżyca, Materiały z konferencji, która odbyła się w dniach 25-28 października 2005 r. w League City w Teksasie. LPI , Październik 2005, s. 68, art n o 1287 ( DOI 10.1061 / (ASCE) AS.1943-5525.0000201 , bibcode 2005LPICo1287 ... 68m , czytać online )
(w) Jonathan E. Whitlow i Clyde F. Parrish , „ Obsługa, modelowanie i analiza procesu odwróconego przesunięcia gazu w wodzie ” , TECHNOLOGIA KOSMICZNA I ZASTOSOWANIA INT.FORUM-Staif 2003 Conf.on Thermophysics in Microgravity; Komercyjny/cywilny transport kosmiczny nowej generacji; Eksploracja kosmosu przez człowieka. Materiały konferencyjne AIP , t. 654, styczeń 2003, s. 1116-1123 ( DOI 10.1063/1.1541409 , Bibcode 2003AIPC..654.1116W , czytaj online )

Zobacz również

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne

(en) Malcolm J. Shaw, Załogowa misja na Marsa , NASA, 2005
(w) Birbara, PJ; Sribnik, F., Opracowanie ulepszonego reaktora Sabatier , na osti.gov , 1979