Декарбоксилированное и декарбонилированное биотопливо
Декарбоксилированное и декарбонилированное биотопливо — это возобновляемое углеводородное топливо, производимое путем преобразования биомассы путем декарбоксилирования или декарбонилирования в жидкое транспортное топливо, такое как этанол и биодизель . [1] [2] Преобразование биомассы в жидкое топливо предпочтительнее в качестве альтернативы добыче ископаемого топлива, поскольку биомасса удаляет углекислый газ из атмосферы по мере ее роста посредством фотосинтеза . При сгорании этот углерод повторно выбрасывается в атмосферу, замыкая углеродный цикл и делая биотопливо углеродно-нейтральным. при некоторых условиях [3] Биотопливо первого поколения, такое как биодизель [4] производятся непосредственно из сельскохозяйственных культур, таких как зерновые, кукуруза, сахарная свекла и тростник, а также рапс. Топливо второго поколения производится из побочных продуктов производства продуктов питания и других товаров, а также из бытовых отходов, отработанного масла для жарки в ресторанах и отходов скотобоен. [5]
История
[ редактировать ]Впервые об исследованиях декарбоксилирования на катализаторах на основе никеля и палладия сообщили Вильгельм Майер и др. В 1982 году. [6] когда они добились дезоксигенирования нескольких карбоновых кислот путем декарбоксилирования в атмосфере водорода. Это включало превращение алифатических кислот (таких как гептановая и октановая кислоты) в алканы (а именно гексан и гептан) - реакция, в которой палладиевые катализаторы дали наилучшие результаты. Эту реакцию можно записать как:
- RCO 2 H → RH + CO 2
В 2006 году Дмитрий Мурзин подал патент компании Neste Oyj на производство углеводородов дизельного топлива из возобновляемого сырья со снижением потребления водорода за счет использования металлов VIII группы. [7] С тех пор ряд исследователей также начали работать над дезоксигенацией материалов на основе липидов в топливоподобные углеводороды посредством декарбоксилирования и декарбонилирования в качестве альтернативы гидродеоксигенации , реакции, наиболее часто используемой для превращения липидов в углеводороды.
Процесс
[ редактировать ]Декарбоксилирование и декарбонилирование, вместе называемые реакциями deCO x , достигают цели удаления кислорода путем удаления его в форме диоксида углерода или оксида углерода. [8] Эти процессы демонстрируют несколько явных преимуществ по сравнению с гидродеоксигенацией (HDO). Поскольку deCO x не требует высокого давления водорода, его можно реализовать на небольших децентрализованных объектах, которые можно разместить ближе к источникам биомассы, что снижает экономические и экологические затраты, связанные с транспортировкой материалов и продуктов между этими объектами. Хотя реакции deCO x требуют потери небольшого количества углерода, потребность в более низком давлении водорода компенсирует немного более низкую эффективность углерода по сравнению с HDO. [8]
Компоненты
[ редактировать ]Катализаторы
[ редактировать ]Катализаторы , используемые в реакциях deCO x , обычно создают меньше проблем, чем те, которые в настоящее время используются в гидродеоксигенации. , все еще продолжаются . deCO x Исследования по изучению различных катализаторов на предмет их характеристик, способствующих развитию и облегчению путей реакции [8] Многочисленные катализаторы были проанализированы на предмет их эффективности, определяемой скоростью и выходом конверсии липидов, а также степенью селективности по отношению к углеводородам дизельного топлива. Было обнаружено, что нанесенные металлические катализаторы представляют собой многообещающий класс катализаторов для производства топлива, при этом в качестве носителей чаще всего используются оксиды или углеродные материалы. [8] Эти носители стабилизируют металлы в виде мелких частиц, что приводит к увеличению общей площади поверхности металла и увеличению числа активных центров, доступных для катализа реакции. Углеродные носители показали более высокий уровень активности по сравнению с другими носителями. Однако, учитывая, что основным механизмом дезактивации этих катализаторов является окклюзия активных центров углеродными отложениями на поверхности катализатора, а предпочтительным в промышленности методом регенерации отработанного катализатора является сжигание этих углеродных отложений путем прокаливания в горячем воздухе, использование углеродные носители становятся непрактичными, поскольку этот метод регенерации эффективно разрушит катализатор. [8] Это делает использование катализаторов на оксидном носителе особенно интересным, поскольку они более устойчивы к кальцинированию. Альтернативы восстановлению функции катализатора, например, использование серии промывок растворителем, могут оставить углеродные носители нетронутыми, но они все же менее предпочтительны, чем прокаливание.
Во многих изучаемых катализаторах используются драгоценные металлы , такие как палладий (Pd) или платина (Pt). [6] Хотя эти катализаторы на основе Pd или Pt обеспечивают превосходные выходы топливоподобных углеводородов, стоимость этих металлов может оказаться непомерно высокой для крупномасштабного использования. В результате возросло количество исследований, посвященных использованию недорогих катализаторов на основе никеля. Хотя катализаторы на основе Pd и Pt по своей природе более активны в реакциях deCO x , увеличение содержания металла в катализаторах на основе Ni может дать сопоставимые результаты. Последнее и осуществимо, и экономически выгодно, поскольку никель значительно дешевле палладия и платины.
Эти металлические катализаторы часто склонны к дезактивации и имеют плохие характеристики повторного использования. Это объясняется множеством причин, включая окисление металла, потерю металла из-за выщелачивания или спекания, а также уменьшение площади поверхности в результате закупорки пор. В катализаторах на основе палладия выщелачивание и окисление металлов наблюдаются значительно реже. [6] Отравление катализатора обычно может быть связано с CO x , который образуется в ходе реакции deCO x , а также с примесями серы и фосфора в исходных продуктах реакции. Дополнительной причиной дезактивации является адсорбция ароматических соединений на катализаторах, когда эти соединения обнаруживаются в исходных продуктах реакции или образуются в ходе реакции. Однако основной причиной дезактивации катализатора является потеря площади поверхности из-за закупорки пор отложениями на поверхности катализатора.
Ленты
[ редактировать ]Еще одним фактором при производстве биотоплива является происхождение материалов биомассы. При создании альтернативного источника топлива важно, чтобы корм или реакционная смесь не перегружали запасы продовольствия или пахотные земли . В последнее время основное внимание уделяется использованию несъедобных продуктов на основе липидов, в том числе коричневого жира, желтого жира и водорослевого масла , которые оказывают меньшее бремя на сельскохозяйственное производство. Это сырье имеет дополнительное преимущество: оно имеет тенденцию к высокой насыщенности, что означает, что оно ближе по составу к конечному продукту углеводородного топлива и требует более низкого давления водорода для реакций деоксигенации. [8] Как ненасыщенные, так и насыщенные корма могут обрабатываться deCO x , но ненасыщенные корма часто создают больше проблем. Они имеют тенденцию усугублять дезактивацию катализатора и приводить к снижению выхода углеводородов.
Реакторная система и условия
[ редактировать ]использовались реакторы трех типов Для изучения реакций deCO x : полупериодического, периодического и непрерывного типа. Реакторы полупериодического и непрерывного действия обладают преимуществом очистки CO x , образующегося в течение реакции, что в противном случае привело бы к дезактивации катализатора. Реакторы непрерывного действия параллельны существующим процессам, используемым в промышленности, и более пригодны для производства больших количеств продукта с постоянной скоростью. Типы газов, используемых в исследованиях deCO x , включают чистый водород, инертные газы и их смеси. [8] Хотя использование водорода в этих реакциях не является строго необходимым, оно способствует получению более высоких выходов углеводородных продуктов. Однако в случае катализаторов на основе Ni этот эффект имеет предел; если парциальное давление водорода [8] слишком высока, это приведет к снижению выхода целевых продуктов. Скорость, с которой протекает реакция, сильно зависит от условий реакции и используемого катализатора. Хотя известно, что деоксигенация посредством deCO x обычно протекает с более высокой скоростью при повышении температуры, скорость нежелательных побочных реакций также увеличивается, что может привести к дезактивации катализатора. Маршрут реакции, по-видимому, не зависит от типа используемых растворителей. Однако природа растворителя может влиять на активность катализатора. Растворители с низкой температурой кипения, по-видимому, приводят к увеличению каталитической активности.
Биотопливо третьего поколения
[ редактировать ]В настоящее время проводятся исследования по производству биотоплива третьего поколения, которое получают из биомассы со сверхвысоким выходом, такой как водоросли, [4] посредством декарбоксилирования/декарбонилирования, альтернативного процесса, дающего ряд важных преимуществ по сравнению с гидродеоксигенированием.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Маккормик, Роберт Л. (23 августа 2006 г.). «Жидкое топливо из биомассы» . www.energy.gov . Проверено 22 ноября 2023 г. .
- ^ «Основы биотоплива» . www.nrel.gov . Проверено 22 ноября 2023 г.
- ^ Тилман, Дэвид; Соколов, Роберт ; Фоли, Джонатан А.; Хилл, Джейсон; Ларсон, Эрик; Линд, Ли; Пакала, Стивен; Рейли, Джон; Поискер, Тим (17 июля 2009 г.). «Полезное биотопливо — трилемма продовольствия, энергии и окружающей среды». Наука . 325 (5938): 270–271. дои : 10.1126/science.1177970 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 19608900 . S2CID 10459521 .
- ^ Перейти обратно: а б Чоудхари, ТВ; Филлипс, CB (2011). «Возобновляемые виды топлива посредством каталитического гидродезоксигенирования». Прикладной катализ А: Общие сведения . 397 (1–2): 1–12. doi : 10.1016/j.apcata.2011.02.025 . S2CID 95828978 .
- ^ Экспресс, Биотопливо. «В чем разница между биодизелем 1-го и 2-го поколения?» . Биотопливный экспресс . Проверено 22 ноября 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Майер, Вильгельм Ф.; Рот, Вольфганг; Тис, Ирина; Шлейер, Поль В. Раге (1982). «Гидрогенолиз, IV. Газофазное декарбоксилирование карбоновых кислот». Химические отчеты . 115 (2): 808–812. дои : 10.1002/cber.19821150245 .
- ^ Способ производства углеводородов , получено 2 июня 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Сантильян-Хименес, Эдуардо; Морган, Тоня; Ло, Райан; Крокер, Марк (2015). «Непрерывное каталитическое дезоксигенирование модельных и водорослевых липидов до топливноподобных углеводородов над слоистым двойным гидроксидом Ni-Al». Катализ сегодня . 258 : 284–293. дои : 10.1016/j.cattod.2014.12.004 .