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避免浪费,把甲烷转化成液态燃料

时间: 2017年12月22日 | 作者: David L. Chandler | 来源: 麻省理工学院
MIT教授发明了一种新方法来利用“被烧掉”且危害极大的温室气体。

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很多油井会在一个叫做“燃气”的过程烧掉甲烷——天然气的主要成分,每年要烧掉15百亿立方米的甲烷,并产生40百亿吨的二氧化碳,加剧了全球变暖。但是如果直接把甲烷排放到大气中,这也会造成更严重的环境问题,因为甲烷造成的温室效应比二氧化碳还严重。

 

为什么甲烷在被浪费的同时又是重要的“桥梁”燃料,有助于减轻世界对化石燃料的依赖?同时又是页岩气革命的主角?这个答案和房地产商挂在嘴边的话一样,就是:位置,位置,位置。

 

让甲烷被烧掉的油井主要目的是开采石油,甲烷只是一个副产物,在条件允许的地方,这些甲烷可以用来发电或者生产化学品,然而,这些过程都需要冷却并加压甲烷,因此运输甲烷就需要特殊的耐压容器和管道。在很多地方,比如海上石油平台或边远地区的油田都没有这些必要的基础设施,因此从经济角度来看,这种办法并不可行。

 

但现在,MIT化学系教授Yogesh Surendranath和他的三个同事发现了一个利用电能转化甲烷的方法,可以利用可再生能源发的电把甲烷转化成甲醇的衍生物,而甲醇能够用作汽车燃油,也是很多化学品的前体。这个发现在ACS期刊发表,人们找到了一个利用甲烷的新方法,避免甲烷被无故浪费。

 

 “这个发现为甲烷转化打来了一扇新的大门。”North Carolina大学化学系的助理教授Jillian Dempsey说道。

 

目前能把甲烷转化为液态化学中间体的工业过程需要非常高的操作温度和大型耗费资金的设备,相反地,研究者们发明了一种低温电化学过程,能够不断补充转化过程需要的催化剂,这项技术能够实现“相对低成本、可以现场添加到现存的油井装置中。”MIT的助理教授Surendranath说道。

 

这个系统需要的电能可以来自油井附近的风能或者太阳能,他说道,电化学过程可以实现甲烷转化,也是一个叫做“功能化”的过程,“适用于储存了大量甲烷的偏远地区。”

 

甲烷现在已经是一种非常重要的过渡燃料,但是现在这种珍贵的燃料正在被浪费地烧掉,“这是非常让人惊讶的。”从地球卫星在晚上拍下的照片可以看到很多地区大量浪费掉的天然气,如North Dakota地区的Bakken油田,全球浪费掉的甲烷相当于美国天然气消费量的五分之一。

 

当这种气体被烧掉而不是直接释放到大气,“你在减少环境危害,但是你也在浪费能源。”找到一个低成本有效转化甲烷的方法能够利用边远地区的甲烷“成为了困扰化学界数十年的难题。”他说道,甲烷转化之所以这么困难就在于甲烷分子的碳氢键非常稳定,很难断裂,同时如果反应过度又会发生副反应,得不到我们想要的产物。

 

研究这方面的催化学家做了很多年的工作,都需要条件苛刻的化学试剂,这限制了反应速度,他说道,最新进展的关键在于添加了一个电场驱动力来精确调控反应,能够很快产生更多的催化剂。

 

 “既然我们采用了电能来驱动这个反应过程,这就使得比现有方法更快速、更有选择性和更便携的新方法成为可能。”Surendranath说道,并且“因为我们采用了新的方法产生催化剂,我们能够以前人做不到的方法来评估催化剂活性。”

 

这个反应的结果就是两种液态化学物质——硫酸甲酯和甲磺酸,它们可以被进一步加工成液态甲醇——一种燃料、塑料和药物的化学中间体,转化甲醇的额外处理过程非常困难,在这项技术应用在工业生产之前需要优化这个反应,研究者们正在积极地优化这个方法来解决现存的技术难题。

 

 “这项工作非常卓越,不仅仅是因为提出了一个选择性催化甲烷转化为甲醇前体的新方法,还详细指出了这个系统是怎样实现选择性的化学反应,相关机理的研究是非常重要的,可以推动这项令人激动的发现转化为工业技术。”Dempsey说道。

 

团队包括博士后Matthew O’Reilly、博士研究生Rebecca Soyoung Kim和Seokjoon Oh及所有MIT的化学系成员,这项研究由MIT能源计划的意大利能源公司 Eni S.p.A提供资助。

 

撰文 David L. Chandler

翻译 黄静

 

原文链接:http://news.mit.edu/2017/new-way-harness-wasted-methane-1017


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