Мембранные реакторы: новый взгляд на утилизацию CO2

Изменение климата, вызванное деятельностью человека, стало одной из главных экологических проблем столетия. Правительства и организации по всему миру прилагают все больше усилий для смягчения этого вызова.

Одним из конкретных шагов в этом направлении является разработка новых технологий, способных улавливать и преобразовывать низкоконцентрированный углекислый газ в полезные продукты. В последнее время ученые предложили метод метанирования углекислого газа в мембранном реакторе как перспективное направление. В частности, мембранные реакторы распределительного типа привлекательны благодаря высокой активности катализатора за счет снижения образования горячих точек.

Хотя эффективность мембранных реакторов была подтверждена, свойства мембран и характеристики теплопередачи мембранных материалов остаются неясными. В новом исследовании команда ученых под руководством профессора Микихиро Номуры из Технологического института Сибауры (Япония) и включающая Юку Симидзу из того же института, а также Марцина Мозьдзежа, Гжегожа Бруса и Эльжбету Форналик-Вадж из Университета AGH в Кракове (Польша) продемонстрировала новизну мембранных реакторов распределительного типа для утилизации углекислого газа. Результаты их исследований опубликованы в журнале Catalysis Today.

«В рамках программы двойных дипломов между Технологическим институтом Сибауры и Университетом AGH в Кракове мы оценили теплопередачу в мембранных компонентах, что позволило нам продемонстрировать специфические преимущества мембранных реакторов, рассмотренных в нашем исследовании», — объясняет профессор Номура.

Вслед за этим команда контролировала скорость реакции внутри реактора, распределяя подачу реагентов через мембрану. Затем они провели точную оценку теплопроводности пористой алюмооксидной (Al2O3) мембраны с мельчайшими физическими и химическими структурными особенностями с помощью измерений методом лазерной вспышки. Теплопроводность в твердой части этого образца оказалась на 36,4% ниже, чем у непористой алюмооксидной.

Исследователи затем использовали каталитическую мембрану с кремниевым разделительным слоем — с проницаемостью для водорода 1,4 × 10⁻⁶ моль м⁻² с⁻¹ Па⁻¹ и селективностью водорода к углекислому газу 35,9 — в тестовом мембранном реакторе распределительного типа. При температуре 350 ℃ они достигли высокой конверсии углекислого газа — 92,3%.

Основываясь на этих результатах, команда провела симуляции с использованием программного обеспечения Ansys Fluent для изучения влияния теплопроводности мембраны и пермселективности. Команда установила permeance углекислого газа мембраны на уровне 3,91 × 10⁻⁸ моль м⁻² с⁻¹ Па⁻¹ для всех сценариев. Они обнаружили, что углекислотно-селективная мембрана с высокой селективностью 35,9 производит примерно в 1,4 раза больше метана, чем водородно-селективная мембрана с низкой селективностью 0,10. Кроме того, более высокая теплопроводность мембраны снижает повышение температуры в реакторе.

«Мембранные реакторы обеспечивают пространственно распределенную подачу реагентов внутри реактора, предоставляя улучшенный контроль над скоростями реакции и температурными профилями как в осевом (поток), так и в радиальном (поверхность мембраны) направлениях», — отметил профессор Номура. «Эта уникальная способность и форма мембраны делают их хорошо подходящими для применения в мелкомасштабных установках. Таким образом, применение мембранных реакторов к мелкомасштабным источникам выбросов углекислого газа, которыми обычно владеют многие малые и средние предприятия с ограниченным финансированием, ускорит реализацию углеродно-нейтрального общества. В частности, мы предвидим их использование в небольших устройствах сгорания, таких как котлы, — области, которая получила мало внимания в усилиях по борьбе с глобальным потеплением».

Эти результаты также могут послужить руководством для других экзотермических процессов, таких как частичное окисление углеводородов в системах мембранных реакторов, способствуя развитию устойчивых технологий.