Плазму — ионизированный газ — используют для превращения углекислого газа в монооксид углерода (угарный газ), который в свою очередь можно применять в химическом производстве спиртов и эфиров. Кроме того, такое превращение интересно в качестве технологии переработки парниковых газов для замедления климатических изменений. Физики повысили эффективность такой реакции в три раза, направив на выход плазменного реактора поток газа комнатной температуры. Он быстро охлаждал продукты реакции и не позволял угарному газу превратиться обратно в углекислый. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of CO2 Utilization.
Участники исследовательского коллектива. Источник: Дмитрий Мансфельд
Чтобы предотвратить накопление парниковых газов — метана и углекислого газа — в атмосфере и тем самым замедлить изменение климата, нужны методы их улавливания и переработки. Наиболее экономически выгодной считается переработка углекислого газа в монооксид углерода (угарный газ), который может служить сырьем для производства ряда органических веществ, например, спиртов и эфиров, широко используемых в промышленности.
Для разложения углекислого газа можно использовать сверхвысокочастотные (СВЧ) электрические разряды. СВЧ-волны передают энергию электронам в атомах газа, в результате чего заряженные частицы «отрываются», и атомы становятся ионами. Такое состояние вещества называется плазмой. После многократных столкновений с электронами и другими возбужденными частицами молекулы углекислого газа разрушаются и преобразуются в угарный газ и кислород. Этот способ довольно прост, но пока недостаточно эффективен из-за того, что часть молекул угарного газа, образующихся в плазме, превращается обратно в углекислый газ. Дело в том, что эффективное преобразование углекислого газа в угарный происходит при температуре около 5700–6700 °C, которая достигается только в зоне поддержания СВЧ-разряда. По мере отдаления от нее температура постепенно снижается, и, когда она достигает 1700–2700 °C, создаются идеальные условия для обратного превращения в углекислый газ. Поэтому ученые ищут способ избежать этого процесса.
Исследователи из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) нашли способ предотвратить обратные реакции с помощью очень быстрого охлаждения плазмы, при котором нужная для протекания этих реакций температура 1700–2700 °C буквально «проскакивается».
Авторы сконструировали реактор, в котором с помощью генератора СВЧ-излучения — гиротрона — создавалась плазма в потоке углекислого газа при атмосферном давлении. В плазме происходит разложение углекислого газа на угарный газ и кислород. Кроме того, исследователи подвели к выходу из области плазмы трубки, через которые поступал охлаждающий газ комнатной температуры — азот. Подача охлажденного азота навстречу горячему потоку газов позволила практически мгновенно преодолеть этап, на котором температура газа составляет 1700–2700 °C, и тем самым предотвратить нежелательную реакцию.
Ученые проанализировали химический состав выходящего газа, чтобы оценить, насколько эффективно прошло превращение. Оказалось, что без охлаждения только 7% углекислого газа превратилось в угарный, тогда как при интенсивном потоке азота (подаче 4,5 литра в минуту) эффективность превращения увеличилась до 24%. Однако дальнейшее увеличение скорости подачи азота не привело к повышению эффективности, более того, в этом случае СВЧ-разряд становился нестабильным и погасал.
Кроме того, авторы попробовали использовать в качестве охлаждающего газа не азот, а охлажденную смесь газов, выходящих из камеры после реакции. Максимальная эффективность превращения в плазме в этом случае достигла 23,4%. Этот подход имеет важное преимущество по сравнению с охлаждением с помощью азота — он позволяет получить продукты реакции — угарный газ и кислород — без посторонних примесей (в данном случае соединений азота с кислородом). Это упрощает последующее разделение газов из смеси.
«Наш метод позволит осуществлять безотходное производство угарного газа из углекислого, поскольку в процесс можно вовлечь отработавшие газы. Реакторы, подобные сконструированному нами, повысят эффективность переработки и использования парниковых газов, что крайне востребовано с точки зрения борьбы с накоплением парниковых газов в атмосфере», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Мансфельд, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего отделом физики плазмы ИПФ РАН.
В дальнейшем авторы планируют усовершенствовать предложенный подход, увеличив скорость охлаждения и определив оптимальные направления потоков охлаждающего газа, чтобы достичь еще большей эффективности превращения.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
