Производство возобновляемого водорода из бутанола, обзор

Доступность бутанола из возобновляемых источников и его свойства привлекают внимание исследователей относительно производства из него водорода

В эпоху истощения нефтяных резервуаров, резкого увеличения спроса на энергию и растущей заботы об окружающей среде возникла острая потребность в топливе следующего поколения, которое было бы экологически чистым и легкодоступным.

Есть мнение, что широкое использование ископаемого топлива является основным источником выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ, глобального потепления и изменения климата. Водород считается одной из альтернатив ископаемому топливу и более экологичным энергоносителем.

Водород имеет многочисленные преимущества по сравнению с другими традиционными видами топлива. Во-первых, водород имеет почти в три раза более высокое содержание энергии, чем бензин, то есть соотношение теплотворных способностей водорода и бензина составляют 123 и 47,2 МДж/кг соответственно.

Во-вторых, сгорание водорода дает в качестве продукта только экологически чистую воду по сравнению с выхлопными газами, образующимися при сжигании ископаемого топлива. Более того, его можно использовать в топливных элементах с более высокой эффективностью для производства электроэнергии.

Чтобы удовлетворить растущий спрос на энергию при минимальном воздействии на окружающую среду, производство водорода должно быть экологически устойчивым.

Паровая конверсия природного газа в настоящее время является наиболее широко используемым коммерческим способом получения водорода. Тем не менее, возможная нехватка поставок природного газа привели к тому, что исследователи всё больше обращают внимание на такие оксигенаты, как метанол, этанол, пропанол, глицерин, ацетон, уксусная кислота и бутанол в качестве сырья для производства водорода.

Также разрабатываются технико-экономические обоснования по производству водорода из возобновляемой биомассы - сырья, полученного из биомасла и его ключевых компонентов. Бутанол является очень привлекательным сырьем из-за высокого содержания в нем массовой доли водорода (13,51%) по сравнению с метанолом (12,5%) и этанолом (13,04%).

Подобно этанолу, бутанол также может быть получен биологическим путем. Бутанол, полученный таким методом, называется биобутанолом, который представляет собой смесь бутанола, ацетона и этанола (массовое соотношение ~ 6:3:1) с ~ 60% массовой доли воды.

Было опубликовано несколько исследований по производству биобутанола путем ферментации возобновляемой биомассы. Бутанол является одним из ключевых компонентов биомасла. Доступность бутанола из возобновляемых источников и его свойства привлекают внимание исследователей относительно производства из него водорода.

Методы получения водорода можно классифицировать в основном по четырем обширным категориям, а именно:

- фотобиология;

- фотоэлектрохимия;

- электрохимия;

- термохимия.

Фотобиологическая техника использует естественную фотосинтезную активность бактерий и водорослей для производства водорода. Несмотря на свою зеленую и возобновляемую природу, этот метод в настоящее время не может быть использован в промышленном масштабе для производства водорода из-за низкой производительности по сравнению с термохимическими и электрохимическими методами.

Фотоэлектрохимический метод включает в себя расщепление воды с использованием энергии фотонов солнечного света в присутствии светопоглощающих материалов, таких как полупроводники, для производства водорода. Разработка высокоэффективной фотоэлектрохимической системы является сложной задачей, и этот метод находится на ранней стадии развития технологии.

Производство водорода электрохимическим методом является хорошо известной технологией, но более низкая общая эффективность делает этот метод пригодным только в тех случаях, когда электричество можно получить при низких затратах.

Термохимический метод включает каталитическую конверсию углеводородов и является признанным во всем мире методом получения водорода в больших объемах. Паровой риформинг природного газа является наиболее широко используемым термохимическим методом получения водорода и составляет почти 50% от общего объема производства.

Пиролиз, паровой риформинг (SR) и частичное окисление (POX) являются различными подходами, используемыми в термохимической технологии. Четыре наиболее широко известных и общепринятых подходов, использующих термохимический метод: SR, окислительный паровой риформинг (OSR), сухой риформинг (DR) и POX. Все эти методы имеют свои преимущества и недостатки. Таблица 1 сравнивает различные методы производства водорода и дезактивации катализатора.

Таблица 1

Сравнение методов SR, OSR, DR и POX

Получение водорода из бутанола является многообещающей альтернативой из-за более высокого содержания водорода по сравнению с другими оксигенатами, такими как метанол, этанол или пропанол.

Катализаторы и рабочие условия играют решающую роль в производстве водорода. Ni и Rh являются металлами, в основном используемыми для паровой конверсии бутанола, окислительной паровой конверсии и частичного окисления.

Такие добавки, как Cu, могут улучшать каталитическую активность во многих случаях. Кроме того, взаимодействие между носителем и металлом, методика приготовления катализатора также играют решающую роль в стабильности и способности катализатора производить водород.

Техника парового риформинга в качестве опции чаще исследуется из-за более высокой способности к производству водорода по сравнению с другими термохимическими методами, несмотря на ее эндотермическую природу. Использование окислительного парового риформинга и частичного окисления имеет преимущества, заключающиеся в том, что требуется меньше энергии и наблюдается более длительная стабильность катализаторов.

Источник: Ронак Патель, Санджай Патель, Производство возобновляемого водорода из бутанола: обзор, Чистая энергия, Том 1, Выпуск 1, декабрь 2017 года, страницы 90–101, https://doi.org/10.1093/ce/zkx008