Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) разработали новые высокоэффективные катализаторы для переработки синтез-газа методом Фишера — Тропша. Эксперименты показали: катализаторы на основе нанопорошков кобальта, полученных методом электрического взрыва проводника, проявляют высокую активность в процессах синтеза с низким содержанием водорода в исходном газе. Это открывает перспективы для создания компонентов экологичного топлива путем переработки синтез-газа, который получен при пиролизе биомассы или из других нетрадиционных источников.
Поиск альтернатив жидкому топливу на основе нефти — одна из главных задач в области химической инженерии. По словам ученых, эффективным решением может стать переработка различных органических отходов и продуктов газификации в компоненты моторного топлива и другие ценные химические продукты. Особое значение для производства синтетических жидких топлив из природного газа, угля и биомассы имеет реакция Фишера — Тропша.
Однако существующие технологии и каталитические системы не обеспечивают высокий выход жидких продуктов, пригодных в качестве автомобильных бензинов, дизеля, авиакеросинов и смазочных материалов. Ключевая проблема — высокое содержание в продуктах непредельных углеводородов (ароматических и олефиновых), снижающих качество топлива, а также низкие степени превращения монооксида углерода в углеводороды. Кроме того, пока что не существует метода получения катализаторов, обеспечивающих высокий выход жидких продуктов из синтез-газа с низким содержанием водорода.
Сегодня для синтеза жидких углеводородов методом Фишера — Тропша используют различные каталитические системы. Особый интерес представляют катализаторы на основе ультрадисперсных металлических порошков, в том числе на основе ультрадисперсных частиц кобальта. Его каталитическая активность в этих процессах известна и достаточно подробно изучена, однако более перспективным специалистам представляется изучение каталитической активности нанопорошка кобальта, полученного методом электрического взрыва проводника.
«Отличительной особенностью электровзрывных порошков металлов является их высокая поверхностная энергия и множество дефектов кристаллической решетки на поверхности, что обеспечивает высокую каталитическую активность в различных процессах. Кроме того, нанопорошки кобальта, полученные методом электрического взрыва проводника, просты в производстве, отличаются низкой стоимостью и хорошей устойчивостью к спеканию, что делает их перспективными для использования в переработке синтез-газов с высоким содержанием различных примесей», — говорит один из авторов статьи, доцент отделения химической инженерии ТПУ Евгений Попок.
Высокодисперсный порошок кобальта ученые получили методом электрического взрыва проводника в инертной среде. Импульсный ток высокой плотности и мощности пропустили через проводник — кобальтовую проволоку диаметром 1 мм. Полученный нанопорошок спрессовали в таблетки, а потом измельчили во фракции размером 0,5–1 мм и загрузили в лабораторную каталитическую установку, работающую при повышенном давлении.
Затем были определены основные характеристики полученных катализаторов — химический и фазовый состав, морфология поверхности. Также определялись их каталитическая активность (степень конверсии монооксида углерода, выход жидких и газообразных продуктов, метана и диоксида углерода) и оптимальные технологические параметры процесса (температура, давление, объемная скорость подачи сырья, соотношение водорода и монооксида углерода в исходном газе).
Таким образом было установлено, что высокодисперсный порошок кобальта, полученный методом электрического взрыва, является достаточно активным катализатором для синтеза жидких углеводородов методом Фишера — Тропша.
«Общая степень конверсии оксида углерода в диапазоне температур от 230 до 330 °C составляет от 25 до 90%. Также выявлен оптимальный температурный диапазон — от 230 до 260 °C, при котором выход побочных продуктов синтеза и газообразных углеводородов достаточно низок, — отмечает ученый. — Кроме того, эксперименты показали, что нанопорошок кобальта проявляет высокую каталитическую активность в реакциях образования жидких углеводородов с низким содержанием водорода в исходном синтез-газе. Это позволяет нам сделать вывод о его потенциальном применении, например в переработке газов, получаемых при пиролизе биомассы или других нетрадиционных источников синтез-газа. Полученные нами катализаторы также показали устойчивость к быстрой дезактивации в условиях синтеза при рабочих температурах в ходе длительных испытаний».
В исследовании принимали участие сотрудники отделения химической инженерии Инженерной школы природных ресурсов ТПУ. Результаты опубликованы в журнале Catalysts (Q2, IF: 4.0).
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
