在室溫下利用二氧化碳合成甲烷之新製程

 

刊登日期:2020/11/26
  • 字級

日本靜岡大學成功地開發出在室溫條件下利用二氧化碳合成甲烷(Methane)之製程,由於採用了含氧氣體而實現了低溫化。此外,研究團隊在甲烷改質製程中結合了固體碳捕集製程,進而成功地開發出合成氣體與固態碳連續生成的系統,因此可望同時實現化學原料製造與削減二氧化碳之目的。

研究團隊在2019年透過在二氧化碳、氫氣的反應氣體中混入氧氣,並在350℃~室溫的溫度區間進行試驗,確認在低溫區域能有高活性之結果,並將製程命名為「Auto-Methanation」。此次則是開發了具有更高活性的觸媒,且解明了混入氧氣後能達到低溫化的反應機制。

一般認為氧氣會促使觸媒氧化、甲烷燃燒,故必須去除氧氣。但研究團隊發現氧氣混入後,首先會與氫氣反應而燃燒,不會影響到後續的甲烷化(Methanation)反應,且燃燒所產生的熱能被利用於甲烷化反應,因此可以不需要外部的加熱。燃燒排氣通常與氧氣混雜在一起,因此無須去除,可直接使用。

此外,研究中以硝酸釕(Ruthenium Nitrate)基底觸媒取代鎳(Ni)基底觸媒,負載了氧化鈰(Cerium Oxide)的觸媒在室溫(25℃)開始反應,且穩定地進行反應。此外,負載了氧化鋯(Zirconium Oxide)、鋁的觸媒在50℃;負載氧化矽的觸媒則在80℃開始反應啟動。在可以利用工廠廢熱的環境,就可以利用鋁等價格便宜的觸媒。

甲烷改質/固體碳捕集製程是在前半段採用「甲烷乾重組(Methane Dry Reforming; MDR)」製程,後半段則是結合了固體碳捕集製程。甲烷乾重組製程係將甲烷與二氧化碳的混合氣體加熱至700℃,以鎳/鋁觸媒進行反應,生成氫氣與一氧化碳。由於使用了構造體觸媒,固可抑制碳析出。固體碳捕集製程則將生成的氫氣與一氧化碳流入內部塗佈了氧化鐵的不鏽鋼管,在400~650℃的加熱工程中,部分一氧化碳轉換成固體碳與二氧化碳(2CO→C+CO2)。

雖然甲烷乾重組後的合成氣體為富一氧化碳(Carbon monoxide-rich)的組成,但固體碳捕集製程之後得到的氫氣與一氧化碳比例為2:1,對於FT合成等化學品原料方面是理想的比例。此外,做為起始原料的甲烷,在二氧化碳構成的碳中,能捕集到最大20.3%的固體碳。

一般透過甲烷熱分解生成氫氣與固體碳的反應溫度需在800~1,000℃之間,耗費大量能源,新開發的製程則可望實現大幅省能源化。今後研究團隊將評估「Auto-Methanation」結合甲烷乾重組、固體碳捕集之連續製程的開發。


資料來源: 化學工業日報/材料世界網編譯
分享