Многие нефтяные скважины сжигают метан — крупнейший компонент природного газа — в процессе, называемом сжиганием, при котором в настоящее время ежегодно расходуется 150 миллиардов кубических метров газа и генерируется ошеломляющие 400 миллионов тонн углекислого газа, что делает этот процесс значительным. способствует глобальному потеплению. Однако если позволить газу уйти несгоревшим, это приведет к еще большему ущербу для окружающей среды, потому что метан является еще более сильным парниковым газом, чем углекислый газ.Почему весь этот метан тратится впустую, когда в то же время природный газ рекламируется как важный «мостовой» вид топлива, поскольку мир отказывается от ископаемого топлива, и является центральным элементом так называемой революции сланцевого газа? Ответ, как говорят в бизнесе с недвижимостью, прост: местоположение, местоположение, местоположение.
Скважины, в которых сжигается метан, в основном используются для добычи нефти; метан — просто побочный продукт. В местах, где это удобно, метан улавливается и используется для выработки электроэнергии или производства химикатов. Однако для охлаждения и сжатия метана необходимо специальное оборудование, а для его транспортировки необходимы специальные герметичные контейнеры или трубопроводы.
Во многих местах, таких как морские нефтяные платформы или удаленные нефтяные месторождения, удаленные от необходимой инфраструктуры, это просто экономически невыгодно.Но теперь профессор химии Массачусетского технологического института Йогеш Сурендранатх и трое его коллег нашли способ использовать электричество, которое потенциально может поступать из возобновляемых источников, для преобразования метана в производные метанола, жидкости, которая может быть превращена в автомобильное топливо или использоваться в качестве прекурсора для разнообразные химические продукты. Этот новый метод может позволить более дешевую конверсию метана на удаленных объектах. Результаты, описанные в журнале ACS Central Science, могут проложить путь к использованию значительного количества метана, который в противном случае полностью расходуется впустую.
Существующие промышленные процессы превращения метана в жидкие промежуточные химические формы требуют очень высоких рабочих температур и большого капиталоемкого оборудования. Вместо этого исследователи разработали низкотемпературный электрохимический процесс, который постоянно пополняет каталитический материал, который может быстро осуществить преобразование. Эта технология потенциально может привести к "относительно недорогому добавлению на месте к существующим устьевым операциям", — говорит Сурендранат, доцент кафедры химического развития Массачусетского технологического института Пол М. Кука.
По его словам, электричество для питания таких систем может поступать от ветряных турбин или солнечных батарей, расположенных поблизости от объекта. Этот электрохимический процесс, по его словам, может обеспечить способ конверсии метана — процесс, также известный как функционализация — «удаленно, там, где находится много« замороженных »запасов метана».По его словам, «метан уже играет ключевую роль в качестве переходного топлива». Но количество этого ценного топлива, которое сейчас сжигается, по его словам, «просто ошеломляет».
Это огромное количество потраченного впустую природного газа можно увидеть даже на спутниковых снимках Земли в ночное время, в таких областях, как нефтяные месторождения Баккен в Северной Дакоте, которые из-за факелов светятся так же ярко, как большие мегаполисы. По оценкам Всемирного банка, сжигание метана в факелах во всем мире приводит к отходам, эквивалентным примерно одной пятой потребляемого в США природного газа.
Когда этот газ сжигают, а не выпускают напрямую, говорит Сурендранат, «вы уменьшаете вред окружающей среде, но вы также тратите впустую энергию». По его словам, поиск способа конверсии метана с достаточно низкими затратами, чтобы сделать его практичным для удаленных объектов, «было большой проблемой в химии на протяжении десятилетий».
Что делает преобразование метана таким трудным, так это то, что углеродно-водородные связи в молекуле метана сопротивляются разрыву, и в то же время существует риск переусердствовать с реакцией и закончиться неконтролируемым процессом, который разрушит желаемый конечный продукт.По его словам, катализаторы, которые могут выполнять эту работу, изучаются в течение многих лет, но для них обычно требуются агрессивные химические вещества, ограничивающие скорость реакции. Ключевым новым достижением было добавление электрической движущей силы, которую можно было точно настроить для создания более мощных катализаторов с очень высокой скоростью реакции. «Поскольку мы используем электричество для управления процессом, это открывает новые возможности для того, чтобы сделать процесс более быстрым, избирательным и переносимым, чем существующие методы», — говорит Сурендранат.
И, кроме того, «мы можем получить доступ к катализаторам, которые никто раньше не наблюдал, потому что мы генерируем их по-новому».Результатом реакции является пара жидких химикатов, метилбисульфат и метансульфоновая кислота, которые могут быть дополнительно переработаны для получения жидкого метанола, ценного промежуточного химического соединения для топлива, пластмасс и фармацевтических препаратов. Дополнительные технологические операции, необходимые для получения метанола, остаются очень сложными и должны быть усовершенствованы, прежде чем эту технологию можно будет внедрить в промышленном масштабе.
Исследователи активно совершенствуют свой метод, чтобы справиться с этими технологическими препятствиями.В исследовательскую группу входили постдоктор Мэтью О’Рейли и докторанты Ребекка Соён Ким и Сокджун О, все из химического факультета Массачусетского технологического института.
Работа была поддержана итальянской энергетической компанией Eni S.p.A. через MIT Energy Initiative.