Американские исследователи представили технологию, которая позволяет получать метанол из метана в один этап, без тех температур и давлений, которые требуются в классическом промышленном процессе. В основе метода лежит реактор с короткими высоковольтными импульсами, создающими плазму внутри пористой стеклянной трубки, погруженной в воду. На поверхности трубки находится катализатор на основе оксида меди, а сама система работает при атмосферном давлении. Авторы называют такой подход более прямым и потенциально менее энергоемким по сравнению с традиционным маршрутом через паровой риформинг и последующий синтез метанола.
Классическое производство метанола действительно остается тяжелым с энергетической точки зрения. В стандартной схеме метан сначала превращают в синтез-газ при температурах выше 800 градусов Цельсия, а затем уже из смеси газов получают метанол при очень высоком давлении. Такой путь давно освоен промышленностью, но он сложный, многостадийный и сопровождается выбросами углекислого газа. Именно поэтому химики уже много лет ищут возможность окислять метан до метанола напрямую, но здесь возникает другая проблема: метан химически очень устойчив, а полученный метанол, наоборот, легко переокисляется дальше.
В новой работе исследователи попытались решить обе задачи сразу. Метан пропускали через пористую стеклянную трубку с CuO-катализатором, а электрические импульсы превращали газ в неравновесную плазму. В таких условиях из метана и воды образуются высокореактивные фрагменты, которые затем рекомбинируют с образованием метанола и других продуктов. Важная особенность схемы в том, что метанол почти сразу растворяется в окружающей воде, и это помогает быстро остановить дальнейшие реакции, которые иначе могли бы довести процесс до CO2. При добавлении аргона авторам удалось повысить селективность: в жидкой фазе доля метанола достигла 96,8%, а общая селективность по всем продуктам – 57,9%.
Кроме метанола, система формировала и другие полезные продукты. В газовой фазе исследователи зафиксировали водород и углеводороды C2+, включая этилен, этан, пропан и пропилен. При оптимальных условиях авторы отдельно отметили отсутствие переокисленных продуктов, прежде всего CO2, среди целевых выходов системы. По расчетам команды, удельное потребление электроэнергии составило 46,7 кВт·ч на килограмм метанола, и именно этот показатель они считают конкурентоспособным для электрифицированной переработки метана.
Метан – один из самых проблемных парниковых газов, а потому любая технология, которая позволяет не просто сжигать его, а превращать в транспортируемый и более ценный продукт, представляет практический интерес. Это важно не только для утечек на скважинах, о которых прямо говорят авторы, но и для распределенных источников метана – например, биогазовых установок, полигонов органических отходов, навозохранилищ и других объектов, где образуется метан, но где традиционная крупная химическая схема нерентабельна. Исследователи прямо пишут, что при масштабировании такой подход мог бы лечь в основу меньших распределенных установок, которые можно подводить к месту выброса метана.
Технология выглядит более мягкой по условиям процесса и потенциально может снизить выбросы по сравнению с классическим производством метанола, особенно если работать на улавливаемом или утечечном метане и питать систему низкоуглеродной электроэнергией. Но сам по себе метанол из природного газа не становится автоматически «зеленым» только из-за нового реактора. Экологический эффект будет зависеть от источника метана, происхождения электричества, масштаба установки и реального энергетического баланса после вывода технологии из лаборатории в промышленность. Это пока лабораторная разработка, а не готовый промышленный стандарт.
