Бездонная энергия болот: химики ТГУ разрабатывают катализаторы для переработки парниковых газов

Секвестрация углерода — индустрия №1 на ближайшие 50 лет, страны будут соревноваться в технологиях его прямого захвата. А самые продвинутые – и в технологиях переработки. В Томском госуниверситете сейчас к этому делается первый шаг — химики разрабатывают  катализаторы для получения водорода из парниковых газов. Сама установка будет проектироваться под конкретную площадку. Подробнее — в специальном проекте Tomsk.ru  и ТГУ «Технотренды».

Одними из основных «парниковых» газов, влияющих на потепление климата являются метан и СО2. Все промышленные страны (и мировые корпорации) принимают  концепции углеродной нейтральности, в соответствии с которыми обязуются снижать выбросы парниковых газов, а также вкладываться в углеродно-отрицательные проекты, чтобы компенсировать те выбросы, которых невозможно избежать. К таким проектам относиться секвестрация — процесс прямого захвата СО2 (по сути, «высасывание» его из атмосферы), дальнейшая транспортировка и возможное долгосрочное хранение.  Высший пилотаж — не просто захоронение, а использование в химических процессах для производства ликвидных продуктов.

Алексей Князев, и.о. декана химического факультета ТГУ, директор Инжинирингового химико-технологического центра ТГУ:

«В прошлом году ТГУ стал оператором карбонового полигона — территории, на которой с участием университетов и научных организаций проводятся исследования климатически активных газов (в России таких полигонов 15, они созданы по федеральной программе). Среди перспективных задач полигона — создание технологий секвестрации углерода. Это процесс химический, и в результате работы ученых-химиков, а затем и инженеров, должны появиться несколько установок – по захвату и переработке СО2.  Первый шаг к этому сейчас делается — группа Лаборатории каталитических исследований ТГУ разрабатывает катализаторы для получения водорода из парниковых газов».

В Томской области немало стоячих водоемов, которые парят в атмосферу «болотным газом», выделяющимся со дна в результате гниения растительных остатков и их бескислородной переработки бактериями. Этот газ в основном состоит как раз из метана (70-80%, в зависимости от того, какая органика перерабатывается) и СО2 (20-30%).

Сергей Галанов, ученый лаборатории каталитических исследований химического факультета ТГУ, доцент кафедры неорганической химии ХФ, руководитель проекта:

У метана и СО2 разный парниковый эффект — если влияние СО2 на атмосферу принять за единицу, то у метана этот показатель будет 23. Поэтому у нас возник закономерный вопрос: а зачем выделять из «болотного газа» СО2, если он в разы безопаснее с точки зрения глобального потепления? Лучше выделять совместно метан и СО2, а потом их перерабатывать в высокомаржинальные продукты, например, получать водород для водородной энергетики, а также впоследствии метанол или жидкие углеводороды (синтетические топлива).

Таких технологий полного цикла еще нет, но начинать с чего-то надо. И первое, за что взялись ученые Лаборатории каталитических исследований— это катализаторы для переработки болотного и других газов. Исследования проводятся в рамках стратпроекта ТГУ «Технологии безопасности» при поддержке программы «Приоритет 2030».

Сразу — никак. Для этого нужно, чтобы содержание двуокиси углерода и метана в «болотном газе» было в соотношении 50 на 50, поэтому сначала необходимо добавить кислород, например, в виде водяного пара или воздуха, и подать эту смесь на эффективный катализатор. В результате получается смесь СО (угарного газа) и водорода, ее еще называют синтез-газ. Далее с помощью соответствующих катализаторов взаимодействием с водяным паром СО (угарный газ) можно превратить в СО2 и добавочный Н2. В итоге получается смесь СО2 и Н2. Водород выделяется и используется на нужды водородной энергетики, а СО2 возвращается в начало синтеза.

Сергей Галанов:

Катализатор должен обладать не только высокой эффективностью, то есть перерабатывать газ с большим содержанием СО2, но и быть «долгоиграющим» — способным работать минимум полгода-год. Не будешь же его перегружать в установке каждые полчаса… Есть несколько типов катализаторов, которые теоретически могут справиться с этими задачами. Вариант, над которым мы сейчас работаем – это высокотемпературная оксидная матрица (оксид магния с алюминием, с оксидом алюминия, оксидом церия), на которую нанесен металл – никель, кобальт. За рубежом используются металлы платиновой группы, но в нашем случае это дорого и к тому же у них потом сложный процесс утилизации.

Над катализатором ученые будут работать еще примерно год. За это время они подтвердят его эффективность на лабораторном уровне. После набора большого количества исходных данных химики и инженеры ИХТЦ ТГУ приступят к моделированию опытно-промышленной установки по переработке газов (скажем, на 100 «кубов» в час). По словам Алексея Князева, первый образец может появиться к 2025 году. Причем проектироваться он будет с привязкой к конкретной местности — непосредственно той, где газ «поймали».

Самый распространенный метод работы с «захваченным» СО2 за рубежом — это закачивание обратно в пласт на глубину 3-4 км. Но перерабатывать гораздо выгоднее! Например, в ЮАР, Катаре, Малайзии построены огромные заводы для получения синтетических жидких топлив из метана. А международная компания Haldor Topsøe является лидером по использованию СО2 в синтезе метанола.

Сергей Галанов:

В перспективе эта технология может эффективно использоваться в других отраслях — для переработки отходов сельхозпроизводства, лесной промышленности. Если заложить их в биореактор (с соответствующим катализатором), там будут идти те же самые процессы, что и в болотах — бескислородная переработка органики микроорганизмами. Только это уже называется биогаз, и его человек может получать целенаправленно, контролируемо. И потом — перерабатывать в то, что нужно.