Учёные разработали инновационный способ переработки метана в ценный химический продукт — метанол. Ключевая особенность технологии заключается в том, что для процесса требуются только вода и электричество. В этом международном проекте активное участие приняли российские специалисты.
Газовый потенциал России и мира
Россия обладает огромными запасами природного газа, которые, по прогнозам на 2024 год, составят около 24.3% от мировых. Это значительно превышает запасы таких стран, как Иран, Катар, Саудовская Аравия и США. По объёмам добычи Россия занимает второе место в мире, уступая только Соединённым Штатам. При текущих темпах эксплуатации разведанных месторождений газа хватит примерно на 90 лет, однако стоит отметить, что более половины российских запасов относятся к категории трудноизвлекаемых.
Метан (CH4), являющийся основным компонентом природного газа, представляет собой всё более востребованный ресурс. За последние десятилетия мировая добыча газа демонстрировала устойчивый рост: с 2.2 триллионов кубометров в 1993 году до 4.1 триллиона в 2019 году. За этот 25-летний период спад наблюдался лишь однажды — во время мирового финансового кризиса 2008 года.
Неиспользованный химический потенциал
Несмотря на обилие ресурса, химический потенциал метана в глобальном масштабе используется крайне мало. Основная часть добываемого метана попросту сжигается в качестве топлива, а не применяется в качестве сырья для химической промышленности. Такое сжигание, помимо прочего, ведёт к выбросам углекислого газа и усугубляет проблему изменения климата, хотя сам метан обладает высоким потенциалом для создания более сложных и ценных соединений.
Хотя научное сообщество и инженеры прилагают усилия для разработки методов преобразования метана в такие продукты, как метанол, ацетилен или синтез-газ, существующие технологии охватывают лишь незначительную долю от общего объёма добычи. Это указывает на острую необходимость в поиске принципиально новых химических и инженерных решений для более эффективного и рационального использования метана.
Метанол — ключевой продукт переработки
Метанол считается одним из самых перспективных продуктов, который можно получить из метана. Сфера его применения чрезвычайно широка: от промышленности и энергетики до транспорта. В химическом производстве он служит основой для создания формальдегида, уксусной кислоты и множества других веществ. В энергетическом секторе метанол может выступать в роли альтернативного топлива.
Этот спирт уже начал применяться в качестве судового топлива, и, по прогнозам, через пять лет его ежегодное потребление крупными контейнеровозами может достигнуть 2.5–10 миллионов тонн. Кроме того, метанол используется в топливных элементах для генерации электроэнергии, что делает его идеальным решением для автономных и мобильных устройств — от питания ноутбуков и смартфонов до работы различных датчиков.
Прорывное исследование в Science Advances
1 августа в престижном междисциплинарном журнале Science Advances была опубликована статья, посвящённая возможности прямого получения метанола из метана.
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
Авторы назвали свою разработку «Бескаталитическая конверсия метана в метанол с использованием катион-радикалов воды».Исследование стало плодом совместной работы четырёх ведущих научных центров Китая, включая Восточно-Китайский университет науки и технологий, Центр онкологических исследований Университета традиционной китайской медицины провинции Цзянси, Лабораторию неорганического синтеза Цзилиньского университета и Институт экологии и химической инженерии Шанхайского университета.
Суть новой технологии
Учёные представили принципиально новый метод синтеза метанола непосредственно из метана, для которого требуются лишь вода и электричество. Им удалось достичь высокой степени конверсии исходного сырья — около 35%. Такой впечатляющий результат стал возможен благодаря использованию особой частицы — димерного катион-радикала воды, который генерируется в специально сконструированном реакторе прерывистого разряда.
Конструкция установки отличается простотой, а сам процесс протекает в «мягких» условиях: при комнатной температуре и атмосферном давлении. Особенно важно отметить высокую эффективность использования атомов водорода в новом методе, которая составляет примерно 67%. По сравнению с известными каталитическими способами, производительность синтеза метанола может быть повышена более чем в сто раз.
Вклад российских учёных
В проекте приняли участие два российских исследователя. Профессор Константин Чингин является выпускником Московского физико-технического института (МФТИ). Профессор Роман Балабин защитил диссертацию в Российском государственном университете нефти и газа (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина). Ранее они уже сотрудничали в рамках совместного проекта в Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе. В настоящее время оба учёных ведут исследования в области масс-спектрометрии, нелинейной спектроскопии и химии окружающей среды.
«Будучи студентом факультета химии нефти и газа, я был очень заинтересован в участии в проекте, направленном на снижение негативного воздействия сжигания углеводородов на окружающую среду. Я считаю, что наш успех был обусловлен тем, что мы собрали команду экспертов из разных областей, каждый из которых внёс свой вклад в понимание механизма и практического применения нового процесса», — отметил профессор Балабин, который руководил теоретическим описанием нового химического процесса.
Перспективы для газохимии
Потенциал газохимии заключается в её способности превращать углеводородное сырьё в продукты с высокой добавленной стоимостью. Авторы исследования уверены, что их новаторская работа может лечь в основу нового, крупномасштабного промышленного метода синтеза метанола. В перспективе эта технология позволит обеспечить экологически чистую и энергоэффективную переработку метана без образования значительного количества нежелательных побочных продуктов. Это, в свою очередь, может повысить привлекательность природного газа как рыночного продукта и открыть новые пути для его рационального использования.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Создан новый метод преобразования метана в ценный химический продукт – метанол.