Плазму — ионизированный газ — используют для превращения углекислого газа в монооксид углерода (угарный газ), который в свою очередь можно применять в химическом производстве спиртов и эфиров.
Кроме того, такое превращение интересно в качестве технологии переработки парниковых газов для замедления климатических изменений. Физики повысили эффективность такой реакции в три раза, направив на выход плазменного реактора поток газа комнатной температуры. Он быстро охлаждал продукты реакции и не позволял угарному газу превратиться обратно в углекислый.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of CO2 Utilization.
Участники исследовательского коллектива
Чтобы предотвратить накопление парниковых газов — метана и углекислого газа — в атмосфере и тем самым замедлить изменение климата, нужны методы их улавливания и переработки. Наиболее экономически выгодной считается переработка углекислого газа в монооксид углерода (угарный газ), который может служить сырьем для производства ряда органических веществ, например, спиртов и эфиров, широко используемых в промышленности.
Для разложения углекислого газа можно использовать сверхвысокочастотные (СВЧ) электрические разряды. СВЧ-волны передают энергию электронам в атомах газа, в результате чего заряженные частицы «отрываются», и атомы становятся ионами. Такое состояние вещества называется плазмой. После многократных столкновений с электронами и другими возбужденными частицами молекулы углекислого газа разрушаются и преобразуются в угарный газ и кислород. Этот способ довольно прост, но пока недостаточно эффективен из-за того, что часть молекул угарного газа, образующихся в плазме, превращается обратно в углекислый газ. Дело в том, что эффективное преобразование углекислого газа в угарный происходит при температуре около 5700–6700°C, которая достигается только в зоне поддержания СВЧ-разряда. По мере отдаления от неё температура постепенно снижается, и когда она достигает 1700–2700°C, создаются идеальные условия для обратного превращения в углекислый газ. Поэтому учёные ищут способ избежать этого процесса.
Поперечная (a) и продольная (b) фотография СВЧ-разряда, входящего в камеру. Наиболее яркая зона — область максимального нагрева газа
Исследователи из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) нашли способ предотвратить обратные реакции с помощью очень быстрого охлаждения плазмы, при котором нужная для протекания этих реакций температура 1700–2700°C буквально «проскакивается».
Авторы сконструировали реактор, в котором с помощью генератора СВЧ-излучения — гиротрона — создавалась плазма в потоке углекислого газа при атмосферном давлении. В плазме происходит разложение углекислого газа на угарный газ и кислород. Кроме того, исследователи подвели к выходу из области плазмы трубки, через которые поступал охлаждающий газ комнатной температуры — азот. Подача охлаждённого азота навстречу горячему потоку газов позволила практически мгновенно преодолеть этап, на котором температура газа составляет 1700–2700°C, и тем самым предотвратить нежелательную реакцию.
Результаты численного моделирования распределения газовых потоков и температуры в реакторе: (а) без подачи охлаждающего газа, (b) при охлаждении азотом, (с) при охлаждении смесью отработавших газов
Исследователи проанализировали химический состав выходящего газа, чтобы оценить, насколько эффективно прошло превращение. Оказалось, что без охлаждения только 7% углекислого газа превратилось в угарный, тогда как при интенсивном потоке азота (подаче 4,5 литра в минуту) эффективность превращения увеличилась до 24%. Однако дальнейшее увеличение скорости подачи азота не привело к повышению эффективности, более того, в этом случае СВЧ-разряд становился нестабильным и погасал.
Кроме того, авторы попробовали использовать в качестве охлаждающего газа не азот, а охлаждённую смесь газов, выходящих из камеры после реакции. Максимальная эффективность превращения в плазме в этом случае достигла 23,4%. Этот подход имеет важное преимущество по сравнению с охлаждением с помощью азота — он позволяет получить продукты реакции — угарный газ и кислород — без посторонних примесей (в данном случае соединений азота с кислородом). Это упрощает последующее разделение газов из смеси.
«Наш метод позволит осуществлять безотходное производство угарного газа из углекислого, поскольку в процесс можно вовлечь отработавшие газы. Реакторы, подобные сконструированному нами, повысят эффективность переработки и использования парниковых газов, что крайне востребовано с точки зрения борьбы с накоплением парниковых газов в атмосфере», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Мансфельд, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего отделом физики плазмы ИПФ РАН.
В дальнейшем авторы планируют усовершенствовать предложенный подход, увеличив скорость охлаждения и определив оптимальные направления потоков охлаждающего газа, чтобы достичь еще большей эффективности превращения.
Источник: РНФ.