Угарный газ считается одним из самых опасных загрязнителей воздуха, однако для химической промышленности он представляет большую ценность. Из него получают синтетическое топливо, метанол и многие другие продукты. Но несмотря на это, на металлургических заводах, нефтеперерабатывающих предприятиях и других производствах CO чаще всего просто сжигают, превращая в углекислый газ и увеличивая выбросы парниковых газов. Причина проста – отделить угарный газ от остальных компонентов промышленных выбросов крайне сложно. Исследователи из Делфтского технического университета в Нидерландах предложили технологию, которая позволяет решить эту проблему.
Главная сложность заключается в том, что промышленные газы представляют собой смесь множества компонентов – азота, кислорода, водяного пара, углекислого и угарного газов. Существующие технологии разделения либо требуют очень низких температур, вакуума или высокого давления, либо плохо работают в присутствии влаги и кислорода. Особенно трудно отделить CO от азота, поскольку их молекулы имеют очень близкие физические свойства. Именно поэтому эффективной технологии извлечения угарного газа непосредственно из горячих промышленных выбросов до сих пор не существовало
Для решения этой задачи голландские ученые создали композитный сорбент на основе оксида алюминия с добавлением меди и калия. Его особенность заключается в том, что материал выполняет сразу две функции: сначала он полностью улавливает угарный газ из газовой смеси, а затем при обработке водородом высвобождает его уже в виде синтез-газа – смеси CO и H₂, используемой для производства метанола, синтетического топлива и другой химической продукции.
Эксперименты проводили в реакторе с неподвижным слоем при температурах от 300 до 450 °C. Через сорбент сначала пропускали газовую смесь с угарным газом, а затем – чистый водород, который восстанавливал материал для следующего цикла работы. Испытания показали, что сорбент полностью улавливает CO до момента насыщения – на выходе из реактора угарный газ не регистрировался в принципе. При этом с повышением температуры эффективность материала возрастала: его поглотительная способность увеличилась со 120 до 150 микромолей на грамм.
Не менее важным оказался процесс регенерации сорбента. После подачи водорода накопленный угарный газ практически мгновенно высвобождался, образуя чистый синтез-газ без каких-либо примесей. В отличие от большинства существующих технологий, для этого не требовались ни вакуум, ни изменение температуры или давления – обе стадии проходили в одинаковых условиях. Более того, изменяя количество сорбента или расход водорода, исследователи смогли регулировать соотношение H₂ и CO в получаемом синтез-газе. За время испытаний материал успешно выдержал 30 циклов работы без заметного снижения эффективности.
Чтобы понять, как именно работает новый материал, ученые использовали инфракрасную спектроскопию. Оказалось, что молекулы CO химически связываются с гидроксильными группами на поверхности сорбента, превращаясь в карбонатные соединения. Затем водород, активированный частицами меди, разрушает эти соединения, высвобождая угарный газ и восстанавливая материал для нового цикла. Именно медь играет здесь ключевую роль: без нее сорбент практически теряет способность к регенерации. Исследование также показало, что для стабильной работы системы необходима температура не ниже 300 °C.
Затем исследователи проверили работу технологии на смесях, приближенных к реальным промышленным выбросам. Даже в присутствии большого количества азота сорбент полностью задерживал CO, а азот свободно проходил через реактор. Во время регенерации угарный газ выделялся уже без примеси азота. Не менее важно, что добавление водяного пара и кислорода практически не повлияло на эффективность улавливания. Они лишь немного замедляли стадию высвобождения CO из-за частичного окисления меди, однако материал продолжал стабильно работать.
Еще один интересный результат ученые получили, когда вместо водорода попробовали использовать для регенерации перегретый водяной пар. В этом случае сорбент не возвращал CO обратно, а превращал его в углекислый газ, одновременно восстанавливая свою способность к следующему циклу работы. Таким образом одна и та же система может работать в двух режимах: либо производить синтез-газ для химической промышленности, либо получать концентрированный CO₂, пригодный для последующего хранения или использования в других технологических процессах.
