新技巧使制造化肥碳排放量减半 —旧工艺每年释放逾越4.5亿吨碳,占人类碳排放总量1%

2019-11-08   
  为了赡养全球70多亿人口,人类依附有上百年汗青的哈伯—博世工艺将空气中的氮和天然气中的甲烷转化为氨,后者是制造化肥的原始材料。然则这一过程每年排放了逾越4.5亿吨的二氧化碳,约占人类碳排放总量的1%,比任何其他工业化学反响的碳排放量都要多。

如今,一种新型陶瓷反响器可以将这一过程的碳排放量减半。假设可以扩大年夜范围,这项新技巧还可以降低全球化肥价格,由于它可让农田邻近的小化工厂加倍轻易地临盆化肥。

“这一成果让我印象很深。”并未参与该项研究的美国剑桥市麻省理工学院化学工程师Karthish Manthiram说。20世纪初创造的哈伯—博世工艺应用3个自力的反响器从甲烷中生成氢,然后将甲烷与氮结合生成氨。比拟之下,新办法将3个反响器合为1个反响器。

“这类流线型设计增添了动力消费和二氧化碳排放量。”Manthiram说。

制造氨的标准三步法的第一步被称为蒸汽甲烷转化。在这一过程当中,高温和1000摄氏度的高温,使得蒸汽和甲烷在固体镍催化剂上混淆。催化剂加快了分化蒸汽和甲烷的化学反响,并生成了氢气分子和一氧化碳(一种有毒气体)分子。随后,第二个反响器将一氧化碳和蒸汽转化为更平和的二氧化碳和氢气。最后,第三个反响器将氢气和氮转化为氨。然则在第一个反响器中产生的氢气减慢了镍催化剂的任务速度。

为了让催化剂以一种更高的速度任务,荷兰埃因霍芬市基天性源研究所化学工程师Vasileios Kyriakou和来自希腊的同事,寻求了一种新的反响器设计,能在氢原子从甲烷分子中剥离出来后急速将其移除。

研究人员制造了一根薄薄的陶瓷管,蒸汽和甲烷在外面像平常一样混淆在一路。管道内壁上的镍催化剂产生了带正电荷的氢离子、电子和二氧化碳。随后,二氧化碳以废气的情势从管中排出,同时,外加的电压推动带负电荷的电子经过过程一根导线达到覆盖在陶瓷管外外面的第二种催化剂上。

这些负电荷反过去使带正电荷的氢离子穿过陶瓷膜壁离开管的外外面。这类离子的虹吸感化使得陶瓷管内的催化剂可以或许以更快的速度任务。它还可使该反响在大年夜约600摄氏度的情况中停止,这个温度只产生副产品二氧化碳,而不是必须进一步处理的一氧化碳。

与此同时,在陶瓷管的外外面,含有钒、氮和铁的第二种催化剂使氢离子、电子和氮分子分别进入管道并构成氨,一切这些反响都是在大年夜气压下停止的。

研究人员在本周出版的《焦耳》杂志上申报说,由于驱动反响所需的能量增添,他们只需用惯例蒸汽甲烷转化产生的二氧化碳的一半就可以制造出氨。

Kyriakou指出,除更有价值的氨外,第二种催化剂还生成一些氢气。研究人员经过过程将这些氢气注入燃料电池,并使之与氧气结合,从而产生了水和电,而这些电被他们用来驱动陶瓷氨反响器。

Kyriakou说,今朝氨分解催化剂在陶瓷管的外外面依然太慢,招致这个过程没法与蒸汽甲烷转化竞争。但是,他说,本身和同事曾经在寻觅改进的催化剂,以赞助他们颠覆有史以来最重要的化学过程之一。

  研究人员能够会取得很多赞助。Manthiram说:“这是一种截然不合的(制造氨的)计谋,将鼓励很多其他机构测验测验这类做法。” 中国迷信报   作者: 赵熙熙 >