Кіріспе
Көмірқышқыл газын сутегімен метандау процесі Сабатье реакциясы немесе Сабатье процесі никель катализаторының қатысуымен жоғары температурада (оптималды жағдайда 300-400 °C) және қысымда (шамамен 3 МПа) көмірқышқыл газ бен сутектің реакциясынан метан мен суды өндіреді. Оны француз химиктері Пол Сабатье мен Жан Батист Сендерен 1897 жылы ашқан. Алюминий оксидіндегі рутений тиімдірек катализатор болып табылады. Бұл келесі экзотермиялық реакция арқылы сипатталады: CO2 + 4H2 >[400 °C][қысым+катализатор] CH4 + 2H2O ∆H = −165.0 кДж/моль.
The Sabatier reaction or Sabatier process produces methane and water from a reaction of hydrogen with carbon dioxide at elevated temperatures (optimally 300–400 °C) and pressures (perhaps 3 MPa ) in the presence of a nickel catalyst. It was discovered by the French chemists Paul Sabatier and Jean Baptiste Senderens in 1897. Optionally, ruthenium on alumina (aluminium oxide) makes a more efficient catalyst. It is described by the following exothermic reaction:
CO2{} + 4H2 >[{}\atop 400\ ^\circ\ce{C}][\ce{pressure+catalyst}] CH4{} + 2H2O∆H = −165.0 kJ/mol
There is disagreement on whether the CO2 methanation occurs by first associatively adsorbing an adatom hydrogen and forming oxygen intermediates before hydrogenation or dissociating and forming a carbonyl before being hydrogenated. {CO} + 3H2 > {CH4} + H2O∆H = −206 kJ/mol
CO methanation is believed to occur through a dissociative mechanism where the carbon oxygen bond is broken before hydrogenation with an associative mechanism only being observed at high H2 concentrations. Methanation reactions over different metal catalysts including Ni, Ru and Rh have been widely investigated for the production of CH4 from syngas and other power to gas initiatives. Coal or wood undergo gasification which creates a producer gas that must undergo methaneation in order to produce a usable gas that just needs to undergo a final purification step. The first commercial synthetic gas plant opened in 1984 and is the Great Plains Synfuels plant in Beulah, North Dakota. The Sabatier reaction has been used in renewable energy dominated energy systems to use the excess electricity generated by wind, solar photovoltaic, hydro, marine current, etc. to make methane from hydrogen from water electrolysis. In contrast to a direct usage of hydrogen for transport or energy storage applications, the methane can be injected into the existing gas network. The methane can be used on demand to generate electricity overcoming low points of renewable energy production. The process is electrolysis of water by electricity to create hydrogen (which can partly be used directly in fuel cells) and the addition of carbon dioxide CO2 (Sabatier reaction) to create methane. The CO2 can be extracted from the air or fossil fuel waste gases by the amine process. A 6 MW power to gas plant went into production in Germany in 2013, and powered a fleet of 1,500 Audi A3.
CO2 метанациясы алдымен адтомдық сутегін ассоциативті түрде адсорбциялап, сутектеуден бұрын оттегі аралықтарын түзету арқылы, немесе диссоциацияланып, сутектеуден бұрын карбонил түзету арқылы жүзеге аса ма деген мәселеде пікір таласы бар. {CO} + 3H2 > {CH4} + H2O ∆H = −206 кДж/моль. CO метанациясы диссоциациялық механизм арқылы жүзеге асырылады деп есептеледі, онда көміртек-оттегі байланысы сутектеуден бұрын үзіледі, ал ассоциативтік механизм тек жоғары H2 концентрациясында ғана байқалады. Ni, Ru және Rh сияқты әртүрлі металл катализаторларындағы метанизация реакциялары синтездік газ бен басқа да энергияны газға айналдыру жобалары үшін CH4 өндірісі үшін кеңінен зерттелді. Көмір немесе ағаш газдандырылады, нәтижесінде пайда болатын газды метанизациялау қажет, содан кейін ғана қолдануға жарамды газ алу үшін соңғы тазарту қадамы жүзеге асырылады. Бірінші коммерциялық синтездік газ зауыты 1984 жылы Солтүстік Дакота штатының Беула қаласындағы Great Plains Synfuels зауыты болып ашылды. Сабатье реакциясы жел, күн энергиясы, су, теңіз ағындары және т.б. арқылы өндірілген артық электр энергиясын пайдалану үшін жаңаруға негіделген энергия жүйелерінде қолданылады, бұл судың электролизі арқылы алынған сутектен метан жасауға мүмкіндік береді. Сутекті көлік немесе энергия сақтау үшін тікелей пайдаланудан айырмашылығы, метанді қолданыстағы газ желісіне жіберуге болады. Метанды қажет болған кезде электр энергиясын өндіру үшін пайдалануға болады, бұл жаңаруға негіделген энергия өндірісінің төмен деңгейін жеңуге көмектеседі. Процесс суды электролиз арқылы сутегіге (оның бір бөлігі отын ұяшықтарында тікелей қолданылуы мүмкін) және көмірқышқыл газын (Сабатье реакциясы) қосу арқылы метан өндіруді қамтиды. CO2 ауадан немесе жанар май қалдық газдарынан амин процесі арқылы алынуы мүмкін. 2013 жылы Германияда 6 МВт қуатты газбен жабдықтау орнатымы өндіріске қосылды және 1500 Audi A3 автокөліктерін қуатпен қамтамасыз етті.
The Sabatier reaction or Sabatier process produces methane and water from a reaction of hydrogen with carbon dioxide at elevated temperatures (optimally 300–400 °C) and pressures (perhaps 3 MPa ) in the presence of a nickel catalyst. It was discovered by the French chemists Paul Sabatier and Jean Baptiste Senderens in 1897. Optionally, ruthenium on alumina (aluminium oxide) makes a more efficient catalyst. It is described by the following exothermic reaction:
CO2{} + 4H2 >[{}\atop 400\ ^\circ\ce{C}][\ce{pressure+catalyst}] CH4{} + 2H2O∆H = −165.0 kJ/mol
There is disagreement on whether the CO2 methanation occurs by first associatively adsorbing an adatom hydrogen and forming oxygen intermediates before hydrogenation or dissociating and forming a carbonyl before being hydrogenated. {CO} + 3H2 > {CH4} + H2O∆H = −206 kJ/mol
CO methanation is believed to occur through a dissociative mechanism where the carbon oxygen bond is broken before hydrogenation with an associative mechanism only being observed at high H2 concentrations. Methanation reactions over different metal catalysts including Ni, Ru and Rh have been widely investigated for the production of CH4 from syngas and other power to gas initiatives. Coal or wood undergo gasification which creates a producer gas that must undergo methaneation in order to produce a usable gas that just needs to undergo a final purification step. The first commercial synthetic gas plant opened in 1984 and is the Great Plains Synfuels plant in Beulah, North Dakota. The Sabatier reaction has been used in renewable energy dominated energy systems to use the excess electricity generated by wind, solar photovoltaic, hydro, marine current, etc. to make methane from hydrogen from water electrolysis. In contrast to a direct usage of hydrogen for transport or energy storage applications, the methane can be injected into the existing gas network. The methane can be used on demand to generate electricity overcoming low points of renewable energy production. The process is electrolysis of water by electricity to create hydrogen (which can partly be used directly in fuel cells) and the addition of carbon dioxide CO2 (Sabatier reaction) to create methane. The CO2 can be extracted from the air or fossil fuel waste gases by the amine process. A 6 MW power to gas plant went into production in Germany in 2013, and powered a fleet of 1,500 Audi A3.
Аммиак синтезі
Аммиак өндірісінде CO және CO2 көбінесе қолданылатын катализаторлар үшін у болып саналады. Аммиак синтезі контурында көміртек оксидінің жиналуын болдырмау үшін, бірнеше сутегі өндіру кезеңдерінен кейін метандау катализаторлары қосылады, себебі метан аммиак синтезінің жылдамдығына ұқсас зиянды әсер тигізбейді.
Марста қозғалтқыш заттарды өндіру
Сабатье реакциясы Марсқа адамды жіберу миссиясының (Mars Direct, SpaceX Starship) құнын төмендетудегі маңызды қадам ретінде ұсынылған, бұл жергілікті ресурстарды пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Сутек атмосферадан алынған CO2-мен біріктіріледі, нәтижесінде метан отын ретінде сақталады, ал судың түзілген қосалқы өнімі электролиз арқылы оттегіге айналдырылып, сұйытылып тотықтырғыш ретінде сақталады, ал сутек қайтадан реакторға жіберіледі. Алғашқы сутек Жерден тасымалдануы немесе Марстағы су көздерінен бөлініп алынуы мүмкін.
Сутегін импорттау
Аз мөлшерде сутегі импорттау су іздеуден сақтануға және атмосферадағы CO2-ні ғана пайдалануға мүмкіндік береді. "Марста қол жетімді шикізаттан метан өндіру үшін, аралас катализатор төсегі мен кері су газы ауысуы арқылы бір реакторда базалық Сабатье метанизациялау реакциясының модификациясы қолданылуы мүмкін, бұл Марс атмосферасындағы көмірқышқыл газын пайдалануға болады. 2011 жылғы прототиптік сынақ операциясы, Марс атмосферасын имитациялап СО2-ні жинап, оны H2-мен реакцияға түсіргенде, 5 күн қатарынан автономды түрде жұмыс істеп, шамамен 100% конверсия деңгейін сақтай отырып, күніне 1 кг метан зымыран отынын өндірді. 50 кг салмақты осы конструкцияның оңтайландырылған жүйесі күніне 1 кг O2:CH4 отынын өндіруге қабілетті, метанының тазалығы 98% аспайды, ал электр қуатын күніне ~17 кВт/сағ тұтынады (жалғасымен 700 Вт қуатта). Оңтайландырылған жүйеден күтілетін жалпы конверсия деңгейі – 17 МВт/сағ энергияны пайдаланып бір тонна отын."