אתגר מאן-טו-אתילן

Ethylene (C2H4) הוא המילון הכימי המיוצר ביותר, עם הביקוש השנתי העולמי מעל 200 מיליון זרזים חד-חמצני, זה בלוק הבניין חיוני עבור פוליאתילן, תחמוצת גז, ethylene glycol, וכימיקלים רבים אחרים של סחורות כי תחת עומס החיים המודרניים באופן משמעותי, e-Tenilen מיוצר על ידי סדק של תנומה או קורנל טבעי וגזר מדלק טבעי וגזל, ומוכר, 000, 000, 000 באופן דרמטי, אשר פועל באופן דרמטי, עם זאת, עם זאת, 000 טבעי, 000 טבעי, 000 זרם מגנטית, 000 איטי יותר, 000.

למה הטמפרטורה הנמוכה יותר משנה

איזון תרמודינמי לגימור מתאן לאתלין הוא בלתי נסבל בטמפרטורות נמוכות; התגובה היא אנדותרמית ודורשת טמפרטורות גבוהות לנהוג בהמרות.

  • עלות ה-FLT:0[דרוש מקור]: 1FLT: 1 הוא מספר גדול של כורים ל-900-1000 מעלות צלזיוס צור כמויות עצומות של אנרגיה, בדרך כלל נגזר מדלקים בוערים.
  • (ב) ⁇ תגובה וזרז תומך במהירות מתחת לרכיבה תרמית קיצונית ואווירות קורוזיות.
  • (ב) טמפרטורות גבוהות (FLT:0) Catalyst deactivation:0) 1 מעלות מאיצה את חטא חלקיקי מתכת פעילים ולקדם את פיזור הפחמן (coking), פני השטח של זרז.
  • (ב) תגובות צד בלתי רצויות: FLT:1 Methane יכול להקפיץ לחלוטין פחמן ומימן, צמצוםסלקטיביות לאתלין וליצור סוטים שגורמים למזיקים.

זרז המפעיל את האג"ח C-H החזק (Digd di Association Energy ⁇ 439 kJ / mol) בטמפרטורות בינוניות (400-700 מעלות צלזיוס) בעוד הפיכה methyl רדיקלים כדי ליצור מוצרי C2 ייצג התקדמות טרנספורמטיבית. זרז כזה יאפשר עיצובים קומפקטיים, מודולרי קומפקטיים תואמים עם רזרבות גז טבעי מחוספס, להפחית פליטות גזי חממה לפח של ethyleneן, ותחת טביעת רגל נמוכה יותר.

עקרונות עיצוב Catalyst עבור Methane Activation

תכנון מתאן-ל-אתילן נמוך דורש איזון שלוש פעמים פונקציות סותרות: C-H הפעלה, C-C הפיכה, ודיכוי של overoxidation או coking. מחזור הקטליטי חייב למחוץ את ה-SEC החזק C-H האג"ח בטמפרטורה קלה, ליצור ביניים תגובתי כגון methyls רדיקלים או קבוצות פני השטח, ולאפשר ביניים אלה כדי לטבול את האגמים עמוק (Licize) ללא הידבקות עמוקה (Lergans) לדלקת פחמן).

אתרי Active Sites and Surface Chemistry

האופי של האתר הפעיל שולט במכשול ההפעלה.עבורת מתכות, תחמוצות מתכת, ו-oxycarbides נחקרו.עבור הפיכה לא-חמצן, זרזי מתכת כמו Fe, Co, Ni, ו Pt הנתמכות על חומרים עתירי-קרקע גבוהה (למשל, SiO2, Al2O3, zeolites) להראות פעילות אך לעתים קרובות דורשות מעל 700 מעלות צלזיוס כדי להשיג חומרי פחמן באופן מלא כדי לייצבים.

הפיכה Oxidative של מתאן (OCM) מציגה חמצון (בדרך כלל O2) כדי להוריד את מחסום ההפעלה וליצור רדיקלים מתיל בשלב הגז.הזרז חייב לייצר באופן סלקטיבי רדיקלים מתיל תוך כדי לעכב את המעבר האחרון ל- CO ו- CO2. Do oxides כגון Li/MgO, Mn/Na2W4i/O2O2, ו-O2, 2, היו פחות מ-C2, אך הם היו תחת לחץ דם בינוני נמוך כל כך נמוך מ-C2, אך הם היו פחות מ-C2, אך הם היו פחות מ-C2, אך הם היו פחות מ-C2, אך הם היו פחות מ-C2, אך ורק 2, אך הם היו פחות מ-C2, אך הם היו תחת שימוש ב-C2, לעומת זאת, לעומת זאת, 000 C2, לעומת זאת, לעומת 2, 000 גרם ל-CDC, אך הם היו תחת לחץ דם בינוני (הקלם, אך הם היו פחות מ-CDC) נמוך יותר מ-C2, אך הם היומין C2, לעומת 2, 000) היה נמוך יותר מ-CDC, 000 גרם נמוך יותר מ-C2, 000 נמוך יותר

מפיצים וממריצים סטרקטיטוריים

הוספת מקדם (מתכות אלקל, אלקל עפרות, אדמה נדירה) יכול לשנות את המבנה האלקטרוני של אתרים פעילים, דיכוי coking, ולשפר אתסלקטיביות.לדוגמה, תוספת של tungsten לזרזים חד-חמצני ב OCM מייצב את שלב MnWO4 פעיל ומשפר את התשואה ethylene דומה, לעשות טמפרטורות מבוסס ברזל עם חמצני אויום sodium, לשנות את רמת האגרה פעילה של Chanture מופחתת של Chanture.

תופעות ייצור והגבלות הן גם כלים חזקים. Embedding מתכת חלקיקים בתוך מיקרו-פוחיות של זקולטים או בתוך צינורות פחמן יכול להגביל את גודל ההפקדות פחמן ולקדם הפיכה סלקטיבית. הגיאומטריה הפותחת יכול גם להטיל מגבלות סטריסטיות התומכות היווצרות של מוצרי C2 על מינים פוליארומטיים גדולים יותר.

כיתות מפתח של Catalysts Low-Temperature

משפחות רבות של זרזים הוכיחו הבטחה להורדת הטמפרטורה התפעולית של המרה מתאן-לאת'ילן:

Metal Catalysts (לא חמצון)

מתכות קבוצתיות מפוזרות על תמיכה אינרט יכול להפעיל מתאן בטמפרטורות נמוכות יחסית (400-600 מעלות צלזיוס) בתנאים שאינם חמצון.לדוגמה, אשכולות Pt על CeO2 או TiO2 הראו תדרי מחזור כי הם פקודות של גודל גבוה יותר מאשר משטחי מתכת מרובים.האתגר נשאר בחירה: מתיל ביניים נוטה לדעוגן נוסף C2 ו-H2 נבדק מאשר זוג מתכתי, אשר הוכחו על ידי Cen2 ליטרים, כך היה פעיל של פחמן C.

Metal Carbide ו-Oxycarbide Catalysts

(עבורת מתכת carbides (למשל, Mo2C, WC, עובר P3C) יש ערוצי אלקטרונים אציליים דמויי-מט, אבל הם הרבה יותר זולים. Molybdenum carbide נתמך על ZSM-5 (Mo/H-ZSM-5) הוא אחד הזרזים המלומדים ביותר עבור נוטריון לא-חמצן (MDA), אשר מייצרת תערובת של nzblinclindlindlin) ו-41.

Doped Oxide Catalysts for Oxidative Coupling

למרות עשרות שנים של מחקר, OCM לא היה מסחרי בגלל ה-Hover-selectivity Trade-off. עם זאת, ההתקדמות האחרונה בניסויי הקרנה מהירה ולמידה של מכונות להאיץ את גילוי פורמולציות חדשות.לדוגמה, זרז הכולל את La2O3 doped עם SrO ו- CaO דיווחו על תשואה C2id של 28% ב- 650 מעלות צלזיוס, מעל לתקרה קלאסית.

תמיכה מתקדמת וחומרים

זאוליטים, במיוחד אלה עם 8- או 10 ערוצי טבעת, יכולים לפעול לא רק כתומך אלא כמארחים בעלי צורה של מערכת ההפעלה (MFI-type zeolite) עם ההשפעות המעמיקות של הטבע הישר והסנסואידים שלה על פני השטח של אנליזה-Hollin, אשר דווחו על מנת לגוון את ההסתברות של C-C-CLT לפני desptionorptioneric Hizeolites, כמו גם חנקן 20.

תובנות מכניות: כיצד C-H Activation Occurs בטמפרטורות נמוכות יותר

הבנת מנגנון התגובה חיונית לתכנון זרז רציונלי.בהפיכה לא חמצון על פני משטח מתכת, מנגנון מאדים-וואן קרלובן פועל לעתים קרובות: מתאן dissociates באתר מתכת, להרכיב קבוצת מתיל ו- מימן אטום.המימן יכול לחזור ל- H2, בעוד קבוצות המתל נודדות לאתר שכנת עם עוד methyl to shape et al.comm, אשר בדרך כלל יש לחץ דם נמוך יותר (H2D) אבל הטמפרטורות Clioling Clioling).

ב OCM, מנגנון מקובל נרחב כרוך בדור של methyl רדיקלים על פני השטח הזרז דרך הפשטות של אטום מימן על ידי מין חמצן פעיל (למשל, O-, O-, O22- או lattice חמצן) את הזרז ה- Oercatus desorb לתוך שלב הגז המופשט ולאחר מכן זוג במודעות גז הומוגני כדי ליצור ethane, אשר עוד dehydrates to sotraicicics to becing CM) כדי לשמור על פני השטח התחתון אורגניבהב.

השפעה כלכלית וסביבתית

לזרז של מתאן-ל-את'ילן יש השלכות עמוקות:

  • (FLT:0) חסכון אנרגטי: 1FLT) הפחתה של הטמפרטורה התגובה מ 850 מעלות צלזיוס ל-600 מעלות צלזיוס מפחיתה את הדרישה ההלכתית בכ-40%, ומתורגמת לצריכת דלק נמוכה יותר ופליטות CO2.
  • (FLT:0) ניצול גז מזחלות: ⁇ FLT:1 (פלינג של גז טבעי בשדות נפט מרוחקים (כ-140 מיליארד מ"ק מדי שנה) מייצג מקור פסולת מסיבי גז חממה.מודולארי, כורי טמפרטורה נמוכה יכולים להמיר את הגז הזה לשווי גבוה של אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אטריות על גבי אתרי, הימנעות מעלויות צינורות.
  • (FLT:0) ,Reduced Carboncio:FLT:1 ,S סדקing of naphtha מייצרת כ 1.5-2.0 טון של CO2 לטון של ethylenelene. Direct methane ההמרה עם מימן מתחדשים יכול להוריד את זה עד 0.5 טון.
  • (FLT:0) יציבות המחירים: ההרחבה 1 (Mathane) המחירים ממריאים ממחירי הנפט באזורים רבים, המציעים עלות יותר יציבה של הזנה עבור ייצור ethylenelene.

תוצאות חיפוש ו- Onמתמשכים Research

בחמש השנים האחרונות היו עדים להתקדמות משמעותית:

  • (FLT:0 זרזי אטומי ברזל:0) אטומי ברזל נשטפים על סיליקה (Fe1 / SiO2) הוכחו להפיכה של מתאן לא חמצון ב 600 מעלות צלזיוס עם אדנילן של 56% בהמרות של 6%.
  • החוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה, גילו כי שלב α-MoC (cubic) פעיל יותר משלב β-MoC עבור הפעלת מתאן ב-550 מעלות צלזיוס, מה שהופך את שיעור C2 גבוה פי 4.
  • (FLT:0) מסלולי פוטו-קטליטי ואלקטרוכימיים:FreaLT:1) הפעלה דלת-טמפרטורה נחקרת גם באמצעות אור או חשמל.לדוגמה, תא פוטו-אלקטרוניקה באמצעות TiO2 עם חלקיקים המיוצרים אליטמין ממתאן בטמפרטורת החדר, אך בתנודות זרם נמוך מאוד.
  • (FLT:0) תגלית מבוססת מחשוב: ההרחבה הגבוהה של למעלה מ-50,000 יצירות זרז היפותטי של OCM זיהתה 15 מועמדים שבאופן תיאורטי יכולים להשיג > 30% C2 תשואה מתחת ל- 650 מעלות צלזיוס.

Outlook: ממעבדה למציאות תעשייתית

למרות ההתקדמות, עדיין לא מערכת זרז בטמפרטורה נמוכה השיגה את השילוב של המרה,סלקטיביות, יציבות, ועלות הנדרשת למסחריזציה. זרזי "הזרזים" הנוכחיים פועלים בדרך כלל ב 600-700 מעלות צלזיוס עם תשואה של אקלינים חד צדדית של 10-30-20%, הרבה מתחת ל- 60–70% שהושגו בסדקים של מזון אחר.

השילוב של עיצוב זרז עם הנדסה כור הוא קריטי.לדוגמה, באמצעות כורים membrane כי להסיר באופן סלקטיבי את ethylene או מימן יכול לשנות שיווי משקל ולשפר את התשואות.לחץ מודעות או הפרדה Cryogenic של ethylene מן מתאן ללא הפרעה ומימן הוא אנרגיה-רגיש, אבל מודעות חדשניות כגון מסגרות מתכת-אורגניות (MO) יכולות להוריד את עלויות ההפיכה או דלקתיות אחרות.

מדיניות ממשלתית המפחיתה את פליטות הפחמן הדו-חמצני מתהליכים קטנוכימיים – כגון התאמת הגבול של האיחוד האירופי למנגנון המיצב – תזרז את פריסת טכנולוגיות פחמן נמוכות. חברות כמו Shell, LyondellBasell, ו- Siluria Technologies (כיום חלק שבררון) השקיעו רבות במפעלי פיילוט של מתאן-לטן.

מימון מוכח למחקר יסודי, בשילוב עם ניסויים עתירי מידע גבוהים ועיצוב זרז מלאכותי המונע על ידי בינה מלאכותית, צפוי להניב פריצת דרך בעתיד הקרוב.המטרה הסופית - יעד יציב, סלקטיבית, וזרז סביר שממיר את המתאן לזרז את האטמילין בטמפרטורות מתחת ל -500 מעלות צלזיוס - נשאר אלסיבי אך סביר יותר ויותר.

מסקנה

העיצוב של זרזים עבור המרה הישירה של מתאן לטלפן בטמפרטורות נמוכות יותר הוא אתגר גדול בקטאליזה הטרוגנית.התקדמות דורש הבנה עמוקה של מנגנוני ההפעלה C-H, שליטה מדויקת על אדריכלות האתר הפעילה, והשימוש החדשני של הגבלת ואפקטים מתקדמים.למרות שתהליכי פיתוח גבוהים נשארים דומיננטיים, שילוב של חומרים מתקדמים - כגון ממתכת, doped oxides, ו- זרזים, מבטיחים פליטות טבעיות, עם התפתחות נמוכה יותר, עם זרז, עם זרז, ולהפחית, עם זרז, ועוד, ופעולות התפתחותיות נמוכות יותר, הן יציבות, הן יציבות נמוכה יותר, הן מבטיחות אוויריות, עם זרזות אוויריות, הן יציבות, הן יציבות, הן יציבות, הן יציבות, הן יציבות, הן יציבות, הן מבטיחות אוויריות, ופעולות התפתחותיות, אך ורקמות, אך ורקמות של תהליכים של התפתחותיות, הן יציבות של אנרגיה נמוכה יותר, אך ורקמות, הן יציבות, הן יציבות, הן יציבות, הן יציבות, הן מבטיחות טבעיות, הן יציבות, הן יציבות נמוכה יותר, הן יציבות, הן מבטיחות, אך ורקמות, אך ורקמות, הן יציבות, אך ורקמות, הן יציבות, הן יציבות, אך תהליכי פיתוח אוויריות