КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-73-10068

НазваниеРазработка новых низкотемпературных сорбентов для применения в процессе концентрирования и метанирования атмосферного углекислого газа

РуководительВеселовская Жанна Вячеславовна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук", Новосибирская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2019 

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словауглекислый газ, воздух, концентрирование, метанирование, композитный сорбент, карбонат калия, регенерация, сорбционно-каталитический процесс, реакция Сабатье, гетерогенный катализ, энергосбережение, возобновляемая энергия

Код ГРНТИ31.15.35


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Данный проект направлен на разработку новых низкотемпературных регенерируемых поглотителей углекислого газа для применения в сорбционно-каталитическом процессе, который позволит концентрировать углекислый газ из воздуха и превращать его в метан по реакции Сабатье. Решение этой научной задачи актуально в связи с необходимостью развития новых технологий для рационального использования возобновляемых энергоресурсов и регуляции парникового эффекта. Выбор сорбентов, способных поглощать углекислый газ непосредственно из воздуха, весьма ограничен из-за невысокой концентрации СO2 (около 0.04 об. %) и необходимости оперировать в присутствии атмосферной влаги. Кроме того, необходимо, чтобы используемый поглотитель десорбировал CO2 при умеренной температуре и демонстрировал стабильные значения динамической сорбционной емкости в многократных циклах с термической регенерацией материала. Карбонат калия является известным низкотемпературным хемосорбентом CO2, который на воздухе превращается в гидрокарбонат калия согласно следующей химической реакции: K2CO3 + CO2 + H2O = 2KHCO3. Для проведения обратной реакции достаточно нагреть гидрокарбонат калия на воздухе до 130-150оС. Практическое применение массивного карбоната калия ограничено из-за сильного диффузионного торможения топохимической реакции, а также из-за механического разрушения кристаллов карбоната калия. Для повышения скорости сорбции и механической стабильности материала карбонат калия наносят на поверхность пористого носителя. Обычно для диспергирования K2CO3 используют пористые оксидные матрицы (Al2O3, TiO2, МgO и др.). Недостатком этих носителей является образование кристаллических фаз взаимодействия между оксидным носителем и активным компонентом, которые либо неактивны в процессе сорбции CO2, либо требуют значительно более высокой температуры регенерации, чем гидрокарбонат калия. Таким образом, стоит задача понижения температуры регенерации композитных сорбентов на основе карбоната калия. Для её решения предполагается использовать следующие подходы: 1) термическая или химическая модификация поверхности пористых оксидных носителей; 2) использование пористых углеродных носителей; 3) использование промотирующих добавок (растворимых солей щелочных металлов), которые могут способствовать повышению дефектности кристаллической структуры активного компонента и изменить его сродство к углекислому газу. Предложенные экспериментальные подходы к синтезу низкотемпературных композитных атмосферного углекислого газа являются оригинальными, поскольку: 1) композитные сорбенты на основе карбоната калия и предложенных к исследованию пористых носителей (модифицированных оксидных матриц и пористых углеродных материалов) никогда ранее не изучались в процессе прямого поглощения углекислого газа из атмосферного воздуха; 2) в литературе также отсутствует информация о влиянии каких-либо промотирующих добавок на процесс сорбции углекислого газа из воздуха материалами на основе карбоната калия. Кинетика сорбции атмосферного СО2 новыми композитными сорбентами будет изучена в изотермических условиях в проточно-циркуляционном адсорбере с использованием метода оптической спектрометрии для анализа концентрации CО2 в газовой смеси. Все синтезированные композитные сорбенты будут охарактеризованы комплексом физико-химических методов анализа до и после сорбционных экспериментов с их участием, что позволит установить, какое влияние на скорость сорбции и сорбционную емкость материалов оказывают пористая структура и фазовый состав сорбентов. Термохимические процессы, протекающие в ходе регенерации сорбентов, будут изучены в условиях линейного нагрева с помощью метода термогравиметрии, совместно с масс-спектрометрическим анализом состава газовой смеси. Дополнительная информация о характере термохимических превращений будет получена методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и рентгенофазового анализа (РФА) in situ. Полученная информация будет использована для определения механизмов сорбции и десорбции диоксида углерода композитными сорбентами различного состава. Ресурсные испытания новых композитных сорбентов CO2 будут проведены в циклическом режиме при чередовании стадий сорбции и термической десорбции. Результаты исследования позволят сравнить различные композитные сорбенты по их динамической ёмкости и стабильности. Наиболее перспективные низкотемпературные сорбенты CO2 будут использованы в циклическом сорбционно-каталитическом процессе, который включает следующие стадии: 1) концентрирование CO2 из воздуха при помощи разработанных низкотемпературных сорбентов; 2) термодесорбция CO2, совмещенная с реакцией Сабатье в присутствие гетерогенного катализатора метанирования. Полученные экспериментальные данные позволят оптимизировать условия проведения сорбционно-каталитического процесса и выработать конкретные методические рекомендации для его практической реализации.

Ожидаемые результаты
По завершению проекта будут получены следующие основные результаты. 1. Методом пропитки по влагоёмкости будут синтезированы новые композитные сорбенты «K2CO3 в пористой матрице» на основе различных пористых носителей. С помощью комплекса методов физико-химического анализа будут изучены основные закономерности формирования структуры и фазового состава композитных сорбентов CO2 на основе карбоната калия в зависимости от природы пористого носителя и условий синтеза. Будет изучено влияние термической и химической модификации пористых оксидных носителей на образование фаз взаимодействия с активным компонентом (K2CO3). Также будет изучено влияние введения допирующих добавок (растворимых солей щелочных металлов) на фазовый состав композитных сорбентов. 2. Для синтезированных композитных сорбентов в реакторе идеального смешения будет изучена кинетика изотермической сорбции углекислого газа из воздуха. По результатам кинетических экспериментов будет установлено, какое влияние на скорость сорбции и сорбционную емкость материалов оказывают пористая структура и фазовый состав композитных сорбентов. 3. Изучение процесса термической десорбции углекислого газа в условиях линейного нагрева композитного материала позволит определить температуры, необходимые для термической регенерации активного компонента в составе различных композитных сорбентов. Будут определены перспективные подходы к понижению температуры термической регенерации композитных сорбентов атмосферного CO2. 4. Будет изучена стабильность сорбционных свойств композитных материалов в циклическом процессе с периодической термической регенерацией поглотителя и установлена зависимость значения динамической сорбционной ёмкости материалов от влажности воздуха и температуры регенерации сорбента. По результатам ресурсных испытаний будут определены наиболее перспективные низкотемпературные сорбенты атмосферного углекислого газа. 5. В лабораторных условиях будет реализован циклический сорбционно-каталитический процесс, позволяющий концентрировать атмосферный СО2 при помощи разработанных композитных сорбентов и превращать его в метан по реакции Сабатье в присутствие гетерогенного катализатора. Будут определены основные параметры процесса, влияющие на конверсию углекислого газа в метан. Будет изучена стабильность композитных сорбентов и катализаторов метанирования при многократной смене окислительной и восстановительной атмосферы. По результатам комплексного анализа экспериментальных данных будут определены оптимальные условия проведения циклического сорбционно-каталитического процесса для получения метана из атмосферного углекислого газа. Полученные результаты будут оригинальными и значимыми, поскольку будут синтезированы новые материалы для поглощения СО2 из атмосферного воздуха, для которых будет решена задача понижения температуры регенерации поглотителя, что очень позволит повысить энергоэффективность процесса и расширить круг доступных источников тепловой энергии. Новые низкотемпературные сорбенты CO2 будут использованы в сорбционно-каталитическом процессе синтеза метана из атмосферного углекислого газа, который может в дальнейшем применяться системах запасания избыточной электроэнергии, производимой методами альтернативной энергетики. Внедрение систем метанирования атмосферного СО2 позволит обеспечить рациональное использование энергии ветра и Солнца, что будет иметь особо важное значение в труднодоступных районах, нуждающихся в углеводородном топливе. Следует отметить, что несмотря на повышенный интерес к теме запасания возобновляемой энергии, на данный момент в литературе не описано технологии, позволяющей эффективно совмещать поглощение СО2 из воздуха и его каталитическую переработку в метан. Таким образом, ожидаемые результаты проекта будут соответствовать мировому уровню науки в этой области.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Первый этап проекта был направлен на разработку новых композитных сорбентов атмосферного углекислого газа, регенерируемых при температуре не выше 200°С. Синтез регенерируемых сорбентов CO2 был осуществлён методом пропитки пористых матриц-носителей по влагоёмкости водным раствором предшественника активного компонента (K2CO3 и/или Na2CO3). В качестве пористых матриц в работе использовали коммерческие гранулированные носители: гамма-оксид алюминия марки А1 и гранулированные активированные угли марок АГМ, АГ-3 и БАУ-А. Дополнительно в качестве носителя использовался материал, полученный из гамма-оксида алюминия путём термической обработки при 750°С. Для пропитки пористых носителей в работе использовались водные растворы карбоната калия, ацетата калия, гидроксида калия и карбоната натрия, а также растворы полученные смешением: а) водных растворов карбоната калия и карбоната натрия; б) водных растворов карбоната калия и ацетата калия. После завершения стадии пропитки все материалы сушили при температуре 100°C, а затем прокаливали при более высокой температуре (200-500°С). Для всех синтезированных образцов композитных сорбентов были определены значения сорбционной емкости по углекислому газу. Сорбционный эксперимент включал в себя следующие стадии: 1) сорбция CO2 из атмосферного воздуха при комнатной температуре и фиксированной относительной влажности воздуха 25-27%; 2) термическая регенерация сорбента при заданной температуре (150 или 200°С) в потоке аргона. Для поддержания постоянной влажности на стадии сорбции использовали сатуратор, наполненный водой, который охлаждали при помощи криотермостата. Для характеризации образцов композитных сорбентов до и после сорбционных экспериментов использовались различные методы физико-химического анализа. Для определения элементного состава образцов применялся метод атомно-эмиссионной спектроскопии. Характеристики пористой структуры для образцов композитных сорбентов и исходных носителей определяли методом низкотемпературной азотной порометрии. Фазовый состав материалов изучали методом рентгенофазового анализа. Дополнительная информация микроструктуре, морфологии и текстуре образцов была получено с помощью методов просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии. Исследование термической регенерации композитных сорбентов, насыщенных CO2 из воздуха, было проведено в условиях линейного нагрева с использованием методов термогравиметрии, дифференцирующей калориметрии и температурно-программируемой десорбции CO2. Для отдельных образцов композитных сорбентов было также изучено изменение фазового состава непосредственно в процессе термической регенерации с помощью метода РФА in situ. Результаты РФА свидетельствуют о том, что сорбция углекислого газа из воздуха композитными материалами «карбонат калия в пористой матрице» приводит к образованию кристаллических фаз KHCO3 и K2CO3∙2KHCO3∙1.5H2O, как для образца K2CO3/Al2O3, так и для материалов на основе активированных углей. Исследование термической регенерации материалов комплексом методов физико-химического анализа свидетельствуют о том, что обе эти фазы разлагаются при температурах ниже 200°С. Для материала на основе гамма-оксида алюминия дополнительно образуется фаза давсонита калия, которая разлается при температурах выше 250°С. Как показали сорбционные исследования, все композитные материалы, синтезированные на основе активированных углей путём их пропитки 4М раствором K2CO3, существенно проигрывают по сорбционной емкости композитному сорбенту K2CO3/Al2O3. Использование концентрированного раствора KOH вместо раствора карбоната калия на стадии пропитки углеродного носителя не позволяет существенно увеличить значение сорбционной емкости композитного материала. Самые высокие значения сорбционной емкости среди сорбентов на основе углеродных носителей наблюдаются для образца K2CO3(Ас)/АГМ, полученного пропиткой активированного угля 10М раствором ацетата калия с последующей сушкой при 100°С и прокалкой в атмосфере аргона при 400°С. Самые высокие значения сорбционной емкости среди всех исследованных материалов продемонстрировал материал K2CO3/Al2O3-ТМ, синтезированный с использованием термически модифицированного гамма-оксида алюминия в качестве носителя. В частности, при температуре регенерации 200°С сорбционная емкость этого материала составляет 6,0 масс. %, что в 1,9 раза больше, чем в тех же условиях для композитного сорбента K2CO3/Al2O3, синтезированного на основе исходного гранулированного гамма-оксида алюминия. Отдельное внимание в работе было уделено добавлению растворимых солей щелочных металлов в пропиточные растворы, содержащие карбонат калия. В качестве добавок к карбонату калия использовали растворимые соли с тем же анионом (карбонат натрия) или катионом (ацетат калия). Пропитка гамма-оксида алюминия растворами, содержащими одновременно карбонат калия и карбонат натрия, привела к получению композитных материалов с более низкой сорбционной емкостью, чем у K2CO3/Al2O3. С другой стороны, использование пропиточного раствора, содержащего одновременно карбонат и ацетат калия, позволило получить композитный материал на основе гамма-оксида алюминия, который превзошёл по сорбционной емкости композитные сорбенты, синтезированные на основе того же носителя с использованием индивидуальных растворов карбоната калия и ацетата калия. Таким образом, по результатам сорбционных экспериментов были определены наиболее перспективные подходы к синтезу новых композитных сорбентов атмосферного углекислого газа с температурой регенерации менее 200°C: 1) использование термической модифицированного оксида алюминия в качестве носителя для K2CO3; 2) пропитка пористого носителя раствором, содержащим одновременно карбонат калия и ацетат калия. На втором этапе проекта планируется оптимизировать методики синтеза новых композитных сорбентов с использованием указанных подходов. Дополнительно на первом этапе проекта были проведены работы, направленные на отработку методики сорбционно-каталитических экспериментов по метанированию атмосферного углекислого газа. В качестве композитного сорбента атмосферного CO2 в проведенных экспериментах использовали материал K2CO3/Al2O3, а в качестве катализатора реакции Сабатье – Ru/Al2O3. При этом были исследованы два возможных варианта проведения процесса. В первом случае использовали 1 реактор, в который были одновременно помещены композитный сорбент углекислого газа и катализатор метанирования. Второй вариант предполагал использование 2 последовательных реакторов, первый из которых содержит композитный сорбент CO2, а второй – катализатор метанирования. Результаты проведенных исследований показали, сорбционно-каталитические эксперименты, запланированные на второй этап проекта, предпочтительно проводить с использованием двух последовательных реакторов, поскольку эта система, в целом, более удобна с точки зрения управления и позволяет получать более высокие значения конверсии углекислого газа в метан.

 

Публикации

1. - Сибирские ученые разрабатывают экологичное топливо "Наука в Сибири", № 39, 5 октября 2017 года, стр. 8, автор: Алёна Литвиненко (год публикации - ).

2. - Сибирские ученые научились получать топливо из воды и воздуха "Интерфакс", 10:16, 17 октября 2017 (год публикации - ).

3. - В Сибири научились делать топливо из воздуха "Российская газета", 17.10.2017 12:17, Текст: Наталья Решетникова (год публикации - ).

4. - Ученые предлагают добывать топливо из воздуха Экспресс-газета (eg.ru), 18 ОКТЯБРЯ 2017 - 12:31, АВТОР:НИКОЛАЙ ИШЕРОВ (год публикации - ).

5. - В Новосибирске научились получать топливо из воздуха и воды Hi-News.ru, 17 Октября 2017 в 17:30, автор: Владимир Кузнецов (год публикации - ).

6. - Топливо из воздуха и воды научились получать сибирские ученые СМИ «Сетевое издание «Соловей.Инфо», 17.10.17 (год публикации - ).

7. - Топливо… из воды и воздуха? Медиацентр ASTANA EXPO 2017, 18 октября 2017 (год публикации - ).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Синтез регенерируемых композитных сорбентов атмосферного CO2 был осуществлён методом пропитки пористых матриц-носителей по влагоёмкости водным раствором предшественника активного компонента – химического поглотителя CO2. В качестве пористых матриц-носителей на втором этапе проекта использовали следующие коммерческие материалы: гранулированный гамма-оксид алюминия марки А1 и гранулированный активированный уголь марки АГМ. Дополнительно в качестве носителей использовались материалы, полученные из гамма-оксида алюминия путём термической обработки при температурах 450, 600, 750 и 900°С (Al2O3-ТМ-450, Al2O3-ТМ-600, Al2O3-ТМ-750 и Al2O3-ТМ-900, соответственно). Для всех синтезированных образцов композитных сорбентов были определены значения сорбционной емкости по углекислому газу. Сорбционный эксперимент включал в себя следующие стадии: 1) сорбция CO2 из атмосферного воздуха при комнатной температуре и фиксированной относительной влажности воздуха 24-26%; 2) термическая регенерация сорбента при температуре 200°С в потоке аргона. Для поддержания постоянной влажности на стадии сорбции использовали сатуратор, наполненный водой, который охлаждали при помощи криотермостата. На втором этапе проекта были изучены свойства композитных сорбентов, синтезированных на основе гранулированного оксида алюминия, термически обработанного при повышенной температуре. В результате термической обработки гранулированного гамма-Al2O3 марки А1 при 450, 600, 750 и 900°С были получены носители Al2O3-ТМ-450, Al2O3-ТМ-600, Al2O3-ТМ-750, Al2O3-ТМ-900. Для композитных сорбентов, полученных путем пропитки этих носителей 4М раствором K2CO3, были определены сорбционной емкости: 3,6 масс. %, 3,7 масс. %, 4,1 масс. % и 3,2 масс. % для K2CO3/Al2O3-ТМ-450, K2CO3/Al2O3-ТМ-600, K2CO3/Al2O3-ТМ-750 и K2CO3/Al2O3-ТМ-900, соответственно. Композитный сорбент K2CO3/Al2O3-ТМ-750 отличается наиболее высоким значением сорбционной емкости среди исследованных материалов на основе термически модифицированного оксида алюминия. Материалы на основе носителей Al2O3-ТМ-450 и Al2O3-ТМ-600 практически не отличаются по сорбционной емкости от композитного сорбента на основе немодифицированного гамма-оксида алюминия (K2CO3/Al2O3). В свою очередь, K2CO3/Al2O3-ТМ-900 демонстрирует наиболее низкое значение сорбционной емкости в рамках данной серии – всего 3,2 масс. %. Образцы серии K2CO3/Al2O3-ТМ-X и композитный сорбент K2CO3/Al2O3 (на основе исходного гамма-Al2O3) были исследованы методом рентгенофазового анализа после стадии сорбции CO2 из атмосферного воздуха (время сорбции – 6 ч, относительная влажность воздуха – 24-26%). Результаты исследования показали, что все образцы после стадии сорбции содержат в своём составе следующие кристаллические фазы: KHCO3, K2CO3∙2KHCO3∙1.5H2O, KAlCO3(OH)2 (давсонит калия) и гамма-Al2O3. Для образцов K2CO3/Al2O3-ТМ-750 и K2CO3/Al2O3-ТМ-900 характерны более узкие рефлексы для гамма-Al2O3 и KAlCO3(OH)2, чем для образцов K2CO3/Al2O3, K2CO3/Al2O3-ТМ-450 и K2CO3/Al2O3-ТМ-600. Сужение рефлексов свидетельствует о более высокой окристализованности этих фаз. Самая высокая интенсивность рефлексов, относящихся к кристаллической фазе KHCO3, наблюдается на дифрактограмме для образца K2CO3/Al2O3-ТМ-750, для которого также характерно наиболее высокое значение сорбционной емкости в циклах с температурой регенерации 200°С. На дифрактограмме для образца K2CO3/Al2O3-ТМ-900 наблюдаются дополнительные рефлексы, относящиеся к кристалической фазе сесквигидрата карбоната калия K2CO3∙1.5H2O. Совместное присутствие кристаллических фаз KHCO3, K2CO3∙2KHCO3∙1.5H2O и K2CO3∙1.5H2O в образце после 6 часов сорбции CO2 из воздуха указывает на то, что для этого материала характерно более медленное протекание процессом образования гидрокарбоната калия из карбоната калия. Предположительно этот эффект связан с тем, что карбонат калия, образующийся в процессе термической десорбции CO2 при температуре 200°С, менее дисперсный, чем в других образцах на основе алюмооксидных носителей. Для композитного сорбента K2CO3/Al2O3-ТМ-750 было дополнительно изучено влияние влажности атмосферного воздуха на стадии сорбции на величину сорбционной ёмкости материала по CO2. Было показано, что увеличение влажности с 25 ± 1% до 37 ± 1 % не изменяет сорбционную емкость материала (а = 4.1 масс. %). Дальнейшее повышение влажности на стадии сорбции ведёт к существенному снижению сорбционной емкости материала в цикле (а = 3,3 масс. % при RH = 47 ± 1 %; а = 1,9 масс. % при RH = 61 ± 1 %). Наблюдающийся эффект, судя по всему, связан с образованием водного раствора карбоната калия в порах оксида алюминия. При контакте водного раствора K2CO3 с поверхностью оксида алюминия на стадии сорбции происходит образование давсонита калия (KAlCO3(OH)2), который не разлагается при температуре 200°С. В результате, сорбционная емкость материала по CO2 снижается. Еще одним направлением исследования на втором этапе проекта стало изучение сорбционных свойств материалов, синтезированных с использованием пропиточных растворов, содержащих одновременно ацетат калия и карбонат калия. Растворы были приготовлены путём смешения 4М раствора K2CO3 и 8М раствора CH3COOK. Таким образом, концентрация ионов калия во всех растворах была постоянна. Для материалов, полученных путём прокалки полученных материалов при температуре 300°С (K2CO3:KAc(4,5:1)/Al2O3-300, K2CO3:KAc(1,5:1)/Al2O3-300 и K2CO3:KAc(1:2)/Al2O3-300), сорбционная емкость в циклах с температурой регенерации 200°С коррелирует с содержанием K2CO3 в пропиточном растворе. По-видимому, ацетат калия при данной температуре не разлагается и потому не вносит вклада в сорбционную емкость материала. Влияние температуры прокаливания в аргоне было изучено для материалов K2CO3:KAc(1,5:1)/Al2O3-300, K2CO3:KAc(1,5:1)/Al2O3-400, K2CO3:KAc(1,5:1)/Al2O3-500, полученных в результате пропитки гамма-Al2O3 по влагоемкости водным раствором, содержащим 3M K2CO3 и 2М CH3COOK, и прокалённых при 300, 400 и 500°С, соответственно. При температурах прокалки 400 и 500°С происходит термическое разложение ацетата калия, при этом, согласно показаниям оптического сенсора на выходе из проточного реактора, одним из продуктов разложения ацетата является метан. При 400°С происходит неполное разложение ацетата калия: дальнейшее повышение температуры до 500°С происходит с выделением дополнительного количества метана. Было показано, что повышение температуры прокаливания с 300 до 400°С ведет к снижению динамической сорбционной емкости материала по CO2 в цикле с термической регенерацией при 200°С (3,1 масс. % для K2CO3:KAc(1,5:1)/Al2O3-300; 2,7 масс. % для K2CO3:KAc(1,5:1)/Al2O3-400). Однако дальнейшее повышение температуры прокаливания до 500°С вновь ведёт к увеличению сорбционной емкости (3,2 масс. % для K2CO3:KAc(1,5:1)/Al2O3-500). Углеродные носители (активированные угли) рассматривались в проекте в качестве альтернативы гранулированному гамма-оксиду алюминия, поскольку при их использовании не должны образовываться фазы взаимодействия между активным компонентом (K2CO3) и материалом носителя. На первом этапе проекта самые высокие значения сорбционной емкости среди материалов на основе углеродных носителей показал образец, полученный пропиткой активированного угля марки АГМ 10М раствором ацетата калия с последующим прокаливанием в атмосфере аргона при 400оС. Было показано, что повышение температуры прокаливания в аргоне до 500°С ведёт к повышению сорбционной емкости материала в сорбционном цикле с температурой регенерации 200°С (а = 2,9 масс. % для K2CO3(Ac, 10М)/AГМ-400, а = 3,4 масс. % для K2CO3(Ac, 10М)/AГМ-400). Данное изменение связано с разложением дополнительного количества ацетата калия. Для испытания в сорбционно-каталитическом эксперименте был выбран образец K2CO3/Al2O3-ТМ-750, продемонстрировавший наиболее высокие значения сорбционной ёмкости по CO2 в сочетании со стабильностью сорбционных характеристик в циклическом эксперименте. Сорбционно-каталитический процесс, комбинирующий сорбцию и метанирование атмосферного углекислого газа, изучали при помощи экспериментальной установки, состоящей из 2 последовательных реакторов, первый из которых (адсорбер) содержит композитный сорбент CO2 (K2CO3/Al2O3-TM-750), а второй – катализатор метанирования (4%Ru/Al2O3). В рамках сорбционно-каталитического эксперимента было изучено влияние температуры каталитического реактора и скорости подачи водорода на значения выхода метана (регенерацию K2CO3/Al2O3-TM-750 во всех экспериментах проводили при 200°С). Было показано, что увеличение температуры каталитического реактора с 300 до 350°С повышает выход метана вследствие роста активности рутениевого катализатора. Другим способом воздействия на выход целевого продукта (CH4) является изменение скорости подачи водорода. Эксперименты показали, что если скорость подачи водорода на входе в первый реактор (адсорбер) равна 100 мл/мин, а не 50 мл/мин, тогда каталитический процесс при заданной температуре протекает с большим выходом целевого продукта – CH4. Судя по всему, ключевым фактором, определяющим выход метана в рамках сорбционно-каталитического процесса при заданных температурах адсорбера и каталитического реактора, является избыток водорода по отношению к десорбированному углекислому газу. Оптимизация условий проведения сорбционно-каталитического процесса (температура метанирования - 350°C, скорость потока H2 – 100 мл/мин) позволила повысить выход метана до 98 %.

 

Публикации

1. - K2CO3-Containing -, - (год публикации - ).

2. Веселовская Ж.В. NOVEL K2CO3-BASED COMPOSITE SORBENT FOR CO2 CAPTURE FROM AMBIENT AIR ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК Сборник научных трудов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 7-ми томах Под редакцией И.А. Курзиной, Г.А. Вороновой. - Том. 2. Химия. -, Том. 2. Химия, c.60-62 (год публикации - 2018).

3. Веселовская Ж.В., Лысиков А.И., Нецкина О.В., Кулешов Д.В., Окунев А.Г. K2CO3-Containing Composite Sorbents Based on Thermally Modified Alumina: Synthesis, Properties, and Potential Application in a Direct Air Capture/Methanation Process Industrial and Engineering Chemistry Research, - (год публикации - 2020).

4. Веселовская Ж.В., Парунин П.Д., Нецкина О.В., Окунев А.Г. A Novel Process for Renewable Methane Production: Combining Direct Air Capture by K2CO3/Alumina Sorbent with CO2 Methanation over Ru/Alumina Catalyst Topics in Catalysis, Volume 61, Issue 15–17, pp 1528–1536 (год публикации - 2018).

5. Веселовская Ж.В.,Парунин П.Д., Нецкина О.В.,Кибис Л.С., Лысиков А.И., Окунев А.Г. Catalytic Methanation of Carbon Dioxide Captured from Ambient Air Energy, Volume 159, Pages 766-773 (год публикации - 2018).


Возможность практического использования результатов
По результатам научного исследования разработаны новые регенерируемые композитные сорбенты атмосферного углекислого газа. Данные материалы успешно протестированы в сорбционно-каталитическом процессе, позволяющем концентрировать углекислый газ из воздуха и каталитически превращать его в метан по реакции Сабатье. Этот процесс может стать частью ресурсосберегающей технологии, позволяющей рационально использовать возобновляемые источники энергии для получения экологически чистого метана из электролизного водорода и атмосферного углекислого газа. Возможной областью применения данной технологии является получение газового топлива в труднодоступных районах РФ.