ИННОВАЦИОННЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И УГЛЕРОДА ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

УДК 54

Атаманов Б.Я.,

Доктор технических наук, ректор, Международный университет нефти и газа имени Ягшыгелди Какаева,

Ашхабад, Туркменистан Хошдурдыев Х.О., Кандидат химических наук, Начальник научного отдела, Международный университет нефти и газа имени Ягшыгелди Какаева,

Джумаев А.Р., Кандидат технических наук Специалист научного отдела, Международный университет нефти и газа имени Ягшыгелди Какаева,

Ашхабад, Туркменистан Байрамгелдыев Т.А., Специалист научного отдела, Международный университет нефти и газа имени Ягшыгелди Какаева,

Ашхабад, Туркменистан

ИННОВАЦИОННЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И УГЛЕРОДА ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Аннотация

Плазмохимический метод получения водорода и углерода из природного газа более экологичен, чем другие, поскольку в окружающую среду не выделяются вредные отходы, такие как оксиды углерода.

Ключевые слова:

углерод, водород, паровая конверсия, плазмохимический, водородное топливо.

В соответствии с «Дорожной картой развития международного сотрудничества в области водородной энергетики Туркменистана на 2022-2023 годы», утвержденной Постановлением Уважаемого Президента Туркменистана в 2022 году, ведется комплексная работа в Международном университете нефти и газа имени Ягшыгелди Какаева.

В соответствии с этим Планом в начале 2022 года в университете создан центр «Водородная энергетики», и в настоящее время этим центром проведен ряд масштабных мероприятий по развитию международного сотрудничества в области водородной энергетики в Туркменистане.

24 февраля 2023 года проведена международная научно-практическая конференция, посвященная развитию водородной энергетики, на тему «Научно-технические возможности получения водородной энергии из природного газа». В его состав входят представители зарубежных стран, международных организаций, соседних университетов, министерств, ведомственных ведомств страны, известные учёные, профессора и преподаватели высших учебных заведений, студенты, а также около 100 научных и образовательных учреждений из более чем 20 стран мира.

Водородное топливо относится к экологически чистым видам топлива, а отсутствие в продуктах его сгорания вредных для климата веществ свидетельствует о большом будущем этого топлива.

Водород (химический символ — Н, от лат. Hydrogenium, Hydro - вода, genium - образовать) — химический элемент с атомным номером 1 в таблице химических элементов Д. И. Менделеева.

Существует три изотопа водорода: Н1 - протий, Н2 - дейтерий и Н3 - тритий. Два первые стабильны, а третий — радиоактивное нестабильное вещество. Ядро наиболее распространенного изотопа состоит

всего из одного протона и не содержит нейтронов.

Молекула водорода при нормальной температуре и давлении представляет собой бесцветный, без запаха и без вкуса, двухатомный газ (химическая формула Н2), образующий с воздухом или кислородом легковоспламеняющуюся и взрывоопасную смесь [1].

Выделение горючего газа при реакции кислот с металлами появилось в начале становления химии как науки в XVI-XVII веках. Водород был впервые получен Парацельсом в 16 веке путем реакции серной кислоты с железом [2].

В 1766 году Генри Кавендиш был первым учёным, признавшим газообразный водород как отдельный элемент. Он предположил, что «горящий воздух» идентичен гипотетическому веществу под названием «флогистон», а в 1781 году обнаружил, что при сгорании он образует воду [3].

Французский химик Антуан Лавуазье вместе с инженером Меаном Меньер в 1783 году синтезировал воду с помощью специальных газометров, затем проанализировал водяной пар, отделив его раскаленным железом. Так он определил, что «горящий воздух» является частью воды и может быть извлечен из нее.

Способов получения водорода множество и их можно разделить на лабораторные и промышленные. В связи с тем, что лабораторные методы выделения водорода широко и подробно обсуждаются в учебниках химии для среднего и высшего образования, а также в специализированных научно-технических изданиях, в данной статье было признано более целесообразным рассмотреть промышленные способы выделения водорода.

Существует несколько промышленных способов получения водорода.

Газификация угля. Основной смысл получения водорода путем газификации угля заключается в преобразовании кислорода в воде в уголь и выделении водорода из воды, то есть:

С + Н2О = СО + Н2

С + 2Н2О = СО2 + 2Н2

Как видно из этих уравнений, реакция может быть направлена в двух направлениях: полученный водород можно использовать не только в качестве топлива, но и получать из продуктов первой реакции синтетический бензин или другие химические соединения. Также возможно производить карбамидное удобрение, используя водород, углекислый газ и атмосферный азот, полученные во второй реакции.

Паровая конверсия метана и природного газа. Паровая конверсия метана обычно включает нагревание природного газа паром в присутствии катализатора для получения смеси диоксида углерода и водорода. Паровой риформинг является наиболее широко используемым процессом производства водорода в энергетике.

СН4 + Н2О + СО + 3Н2

СО + Н2О ^ СО2 + Н2 + Ц

Здесь: Ц — тепло;

Уравнения (1)-(2) и (3)-(4) выше аналогичны, и их смысл заключается в отделении водорода от воды и метана.

Электролиз воды. Для осуществления этого процесса электроды резервуара с водой (анод и катод) размещаются на противоположных сторонах резервуара, и при пропускании через них электрического тока происходит процесс электролиза с образованием кислорода на аноде и водорода на катоде. Самый чистый водород можно получить по такой реакции:

2Н2О + электрический ток = 2Н2 ^

Пиролиз метана. Пиролиз метана — экологически чистый процесс, с помощью которого можно получить водород, который можно использовать в качестве топлива для автомобилей и других промышленных технологий, а также технический углерод, широко используемый в резинотехнической промышленности.

СН4 = С + 2Н2

Этот метод является одним из самых экологически чистых для получения водорода.

Другой способ промышленного производства водорода — каталитическое окисление метана.

2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2

Из продуктов, образующихся в результате реакции СО+ Н2 Углеводороды, в том числе синтетический бензин, можно получить по реакции Фишера-Тропша.

Таким образом, среди обсуждаемых промышленных способов получения водорода наиболее экологически и экономически выгодным является пиролиз метана, поскольку оба получаемых продукта входят в перечень химических товаров и отсутствуют выбросы в окружающую среду. В связи с этим в Центре водородной энергетики Международного университета нефти и газа имени Ягшигелди Какаева посчитали более целесообразным направить исследования преимущественно на изучение реакции пиролиза метана, одновременно изучая другие способы получения водородного топлива.

Центр водородной энергетики университета проводит научные исследования по получению водорода из различных веществ, в том числе воды и природного газа. Изучены правила эксплуатации экспериментального лабораторного оборудования по выделению водорода из воды и проведены соответствующие работы по проверке их работоспособности. Впервые водород был получен из воды электролизом в Лаборатории водородной энергетики.

Как видно из экспериментов, реакция электролиза дает хорошие результаты при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении.

Полученное водородное топливо хранилось в безопасных контейнерах для дальнейших исследований. Полученный водород был испытан экспериментально в качестве топлива и изучена его теплотворная способность.

В утвержденном Президентом Туркменистана Плане «Дорожной карты развития международного сотрудничества в области водородной энергетики на 2022-2023 годы» предусмотрено получение водородного топлива из природного газа.

В целях выполнения поручений Президента по развитию водородной энергетики в Туркменистане специалисты университетского Центра водородной энергетики создали лабораторную установку для получения водородного топлива и углерода из природного газа с плазмохимическим методом. Таким образом, впервые в Туркменистане в результате плазмохимической реакции природного газа по приведенной ниже химической реакции:

СН4 = С + 2Н2

получено водородное топливо и углерод.

Известно, что этот способ получения водорода и углерода более экологичен, чем другие, поскольку в окружающую среду не выделяются вредные отходы, такие как оксиды углерода, и их выгоднее использовать в производстве.

Анализ продуктов реакции проводился на газовом хроматографе «Агелент-6890», который доказал образование водорода и углерода из природного газа.

жим* ф Щ $ ^14 li^

| TCD1 А, (201120234SIG10011 .[_ | т^ ik i/ti§\1—J —щ%т\

25 uV 150 125 100 75 50 25 0 -25 TCD1 А. (20112023\SIG10011 .D) Hz 1 1 „СНд

.............................. ' 2.5 5 7.5 10 12.5 15

В настоящее время в Водородном центре университета продолжаются научно-исследовательские работы по дальнейшему совершенствованию этого способа получения водорода из природного газа.

Эксперимент

Плазмохимическая лабораторная установка для получения водорода и углерода представляет собой трехгорловую колбу, в две малые горлы которой установлены электроды для получения электрической плазмы. Через большое среднее горло колбы по одной стеклянной трубке осуществлялась

подача природного газа (метана) и из второй - отвод водорода. Варьированием электрических параметров получена устойчивая плазма, при воздействии которой на метан, на внутренней поверхности колбы сразу появился черный налет, дальнейший анализ которого показал, что он представляет собой углерод.

Образовавшийся водород был анализирован газохроматически.

Времени удерживания метана и водорода были измерены с помощью газового хроматографа «Агелент-6890» с детектором по теплопроводности. В качестве газа-носителя использовали азот, осушенный через дрексель, наполненный цеолитом СаА.

Скорость газа-носителя 40 мл/мин Рвх=2,9 psi. Стальная колонка с внутренним диаметром 0.3 см была заполнена свежепрокаленным при 623 К=350оС цеолитом NaX, размер частиц цеолита NaX без связующего 0.25-0.316 мм. Перед опытами колонка с цеолитом NaX была в токе азота прогрета при 553 К=280оС в течение 5 часов и охлаждена до 298 К=25о. Массацеолита в колонке составляла 18.7 г. Список использованной литературы:

1. Водород // Химическая энциклопедия : в 5 т. /Гл. ред. И. Л. Кнунянц,

М.: Советская энциклопедия, 1988. Т. 1: А - Дарзана. — С. 400 - 402. 623 с. ISBN 5-85270-008-8.

2. Н. Гринвуд, А. Эрншо. Химия элементов: в 2 томах. — БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. Т. 1., С. 11. - 607 с.

3. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen Atomic weights of

the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pureand Applied Chemistry. - 2013. - Vol. 85, no. 5. - P. 1047-1078.

© Атаманов Б.Я., Хошдурдыев Х.О., Джумаев А.Р., Байрамгелдиев Т.А., 2023

УДК 54

Хошдурдыев Х.О.,

Кандидат химических наук, Начальник научного отдела, Международный университет нефти и газа имени Ягшыгелди Какаева,

Ашхабад, Туркменистан Байрамгельдыев Т.А., Специалист научного отдела, Международный университет нефти и газа имени Ягшыгелди Какаева,

Ашхабад, Туркменистан

ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДА, ПОЛУЧЕННОГО ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

Аннотация

«Драгоценные» аллотропные формы углерода - это результат разложения метана на углерод и водород.

Ключевые слова:

технический углерод, водород, наноуглерод, нановолокна, нанотрубки, наносенсоры. Рассмотрим следующую реакцию:

СН4 -> С