СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ТОПЛИВ ИЗ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА, ОКИСИ УГЛЕРОДА И ВОДЫ
METHOD OF PRODUCING LIQUID ORGANIC FUELS FROM CARBON DIOXIDE, CARBON MONOXIDE AND WATER

Изобретение относится к способам получения жидких органических топлив из воды, углекислого газа и окиси углерода, содержащихся в атмосфере воздуха, в промышленных выбросах дымовых газов и в выхлопах двигателей внутреннего сгорания.
Изобретение может быть использовано для получения жидких органических топлив, что может найти свое применение во многих отраслях промышленности, сельского хозяйства, энергетики, транспорта и в других областях.
6
2
18
62
2
18
62
6-
Известен способ получения метана и его производных [1]. Суть данного способа заключается в получении метана и его производных из углекислого газа при атмосферном давлении 700-800 мм рт.ст. при температуре 70-140°C в промышленных объемах за счет использования 10-80% водного раствора гетерополикислоты (ГПК) 2-18 ряда, имеющей химическую формулу H[PWO] и нагретой до температуры 70-140°C, в которую погружают свинцовую или медную пластину и выжидают 3-15 мин до начала процесса восстановления анионного комплекса [PWO], после чего через данный раствор при давлении 700-800 мм рт.ст. пропускают газовую смесь с концентрацией углекислого газа не более 60 об. % и концентрацией кислорода не менее 5 об. % до получения одного из насыщенных углеводородов.
2
18
62
6-
Гетерополисоединения как класс неорганических соединений обладают такими свойствами, как способность к многоэлектронным переходам в процессе окислительно-восстановительных реакций. Кроме того, анионный комплекс гетерополикислоты 2-18 ряда [PWO] способен накапливать в себе заряды высокой плотности, делая тем самым вещество сильно реакционноспособным.
2
18
62
6-
В обычном состоянии гетерополикомплекс [PWO], где степень окисления вольфрама +6, достаточно устойчив, но в присутствии некоторых металлов степень окисления вольфрама может изменяться до +5 и даже до +4. Но даже такое незначительное изменение степени окисления элемента приводит к резкому изменению заряда всего комплекса:
6
2
18
62
2
24
2
18
62
2
Н[PWO]+9HO→Н[PWO]+4,5O
реакция происходит при нормальных условиях.
Но такая форма ГПК неустойчива, и при отсутствии металла ГПК под действием кислорода воздуха будет опять стремиться принять окисленную форму:
24
2
18
62
2
6
2
18
62
2
Н[PWO]+4,5O→Н[PWO]+9HO
6
2
18
62
2
18
62
6-
Исходя из вышеперечисленного, метан и его производные получают следующим образом: 10-80% водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда H[PWO] нагревают до температуры 70-140°C, далее в раствор погружают свинцовую или медную пластину и выжидают 3-15 минут до начала процесса восстановления анионного комплекса [PWO], после чего через раствор при давлении 700-800 мм рт.ст. пропускают газовую смесь с концентрацией углекислого газа не более 60 об. % и концентрацией кислорода не менее 5 об. % до получения одного из насыщенных углеводородов.
Недостатком данного способа является то, что реакция происходит при повышенной температуре и требует больших затрат внешней энергии для проведения данного синтеза. Также в данном изобретении показан только метод получения метана и его производных, что значительно сужает область применения данного изобретения.
Техническая задача заключается в получении жидких органических топлив из углекислого газа, окиси углерода и воды при более низких температурах, чем в предлагаемом аналоге, и с использованием различных внешних источников энергии в виде электромагнитного излучения.
6
2
18
62
2
18
62
2
18
62
2
18
62
6-
60-
78-
Сущность заявленного технического решения согласно настоящему изобретению заключается в том, что в качестве основного химического реагента была взята гетерополикислота 2-18 ряда, имеющая химическую формулу H[PWO], где используются свойства гетерополианиона изменять свой заряд от [PWO] до [PWO] и [PWO] за счет возможности обратимого изменения степени окисления вольфрама от +6 до +3 и даже до +2.
2
18
62
6-
Как было уже отмечено в изобретении, которое мы взяли за аналог, в обычном состоянии гетерополикомплекс, имеющий химическую формулу [PWO], имеет устойчивую степень окисления вольфрама +6, но в присутствии некоторых металлов степень окисления вольфрама изменяется, что приводит к изменению заряда всего комплекса
5
-2
Но в присутствии железа и цинка и при воздействии электромагнитного излучения различной интенсивности в диапазоне длин волн от 3·10 до 10 нм и короче степень окисления вольфрама может меняться от +6 до +2, что приводит к изменению заряда всего комплекса
Но такие формы анионного комплекса ГПК неустойчивы и в присутствии кислорода воздуха они моментально будут стремиться принять окисленную форму. Исходя из вышеизложенного, получение жидких органических топлив производят в две стадии.
6
2
18
62
5
-2
Первая стадия заключается в облучении водного раствора гетерополикислоты, имеющей химическую формулу H[PWO], в присутствии железных и цинковых пластин при температурах от минус 5 до плюс 50°C электромагнитным излучением в диапазоне длин волн от 3·10 до 10 нм и короче с целью изменения степени окисления вольфрама от +6 до +3 и +2, что приводит к изменению заряда всего анионного комплекса.
Химические реакции можно записать следующим образом.
Реакция, идущая в присутствии цинка:
Реакция, идущая в присутствии железа:
Вторая стадия заключается во взаимодействии восстановленных форм гетерополикислот с газообразным углекислым газом и газообразной окисью углерода, а также с водой в ее жидком агрегатном состоянии в присутствии хромовых и никелевых стружек в синтетической колонне 1 (см. чертеж).
13
26
В ходе реакции, которая проходит в температурном диапазоне от +10 до +70°C, образуются жидкие органические фракции, которые по своим свойствам приближаются к дизельному топливу. Исходя из физико-химических свойств полученных органических фракций, была определена примерная химическая формула органического продукта синтеза в виде брутто-формулы СН. Данные свойства получаемых углеводородов были подтверждены протоколами исследований получившегося продукта. В приложении представлены копии протоколов.
Химическими реакциями синтез можно представить следующим образом.
Реакция, идущая в присутствии хромовых стружек:
Реакция, идущая в присутствии никелевых стружек:
На схеме (см. чертеж) изображено принципиальное устройство получения дизельного топлива из окиси углерода, углекислого газа и воды.
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mn>60</mn></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>3</mn></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mn>78</mn></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
На первой стадии происходит восстановление анионного комплекса гетерополикислоты, описанное уравнениями реакций (1) и (2) при воздействии электромагнитного излучения над железными и цинковыми пластинами в устройстве 3. После чего водные растворы смесей гетерополикислот, имеющих химические формулы
и
, принудительно с помощью насоса 4 поступают в синтетическую колонну 1. В эту же колонну дополнительно закачивается вода как реагент, участвующий в химическом синтезе. Также в колонну синтеза подают газообразную окись углерода, или газообразный углекислый газ, или их смесь в любом соотношении. В колонне синтеза в присутствии хромовых и никелевых стружек происходит синтез жидкого топлива и окисление анионных комплексов гетерополикислот до своего стабильного состояния. Сам процесс описан уравнениями реакций (3) и (4), где степень окисления вольфрама становится равной +6.
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mn>60</mn></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>6</mn></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mn>60</mn></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>+</mo></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mn>78</mn></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>+</mo></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
Из колонны синтеза водный раствор гетерополикислоты, имеющий химическую формулу
, и образовавшееся в ходе синтеза жидкое органическое топливо поступают в емкость для декантации 2, где происходит разделение жидкого органического топлива и водного раствора гетерополикислоты, которая опять поступает в устройство для облучения 3, где снова восстанавливается до
и
.
<mrow><msub><mi>H</mi><mn>6</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>6</mn></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mn>60</mn></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>+</mo></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mn>78</mn></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>+</mo></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>6</mn></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mn>6</mn><mo>−</mo></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mn>6</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>6</mn></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
2
13
26
Пример. Приготовили 50% водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу
. Далее данный раствор попустили через устройство 3, где в присутствии железных и цинковых пластин было произведено его облучение ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн 230-290 нм с плотностью энергии 500 Вт/м. После чего в ходе химических реакций, описанных уравнениями реакций (1) и (2), водный раствор образовавшихся гетерополикислот, имеющих химические формулы
и
, принудительно с помощью насоса 4 подали в синтетическую колонну 1. Одновременно туда же дополнительно подали воду и воздушную смесь, в которой содержался углекислый газ и окись углерода. Полученную смесь и избыток воды пропустили через синтетическую колонну. Общее количество окиси углерода, которое прошло через колонну, составило 10 л, а углекислого газа составило 20 л. В синтетической колонне при температуре +25°C были осуществлены процессы, описанные уравнениями реакций (3) и (4), где в ходе синтеза было получено жидкое топливо и произведено окисление гетерополианионов до стабильного состояния
. Смесь, состоящая из гетерополикислоты
и полученного жидкого топлива, была направлена в емкость для декантации 2, где она была разделена на жидкое органическое топливо и водный раствор гетерополикислоты. В ходе синтеза было получено 18,3 г смеси жидких органических фракций, которые при дальнейшем анализе были определены по физико-химическим свойствам как дизельное топливо с примерной химической брутто-формулой СН. Протоколы анализа топлива представлены в приложении.
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>3</mn></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mn>60</mn><mo>−</mo></mrow></msup></mrow>
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow></mover><msub><mi>O</mi><mrow><mn>62</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mn>78</mn><mo>−</mo></mrow></msup></mrow>
Оставшийся водный раствор гетерополикислоты может быть опять направлен в устройство для облучения 3 для получение анионных комплексов восстановленной формы
и
.
Источники информации
1. Патент РФ №2218320, С07С 1/12, C10G 2/00.