Реферат: Водородное топливо все больше привлекает внимание в качестве потенциального экологически чистого энергоносителя. На данный момент водород преимущественно получают путем конверсии ископаемых топлив: риформинг нафты, природного газа и газификация угля. И только около 5% от общего производства водорода приходится на совокупность методов, таких как конверсия биомассы и альтернативных источников энергии (солнечный свет, ветер и т.п.). В связи растущим спросом и ужесточением требований к его производству необходимо развитие вышеперечисленных методов, способствующих уменьшению углеродного следа в процессе получения H2. Преобразование биоэтанола, полученного конверсией биомассы, в водород путем парового риформинга является недорогим, доступным и простым в исполнении методом. Биоэтанол имеет ряд преимуществ в качестве источника H2 благодаря простоте хранения, обработки и безопасной транспортировки из-за его низкой токсичности и летучести. В настоящее время в нашей стране проводится реализация мероприятий, направленных на стимулирование разработок, коммерциализацию и внедрение отечественных водородных технологий. В рамках выполнения грантов Российского Научного Фонда и в рамках государственного задания Института катализа СО РАН разработаны каталитические мембранные реактора для получения чистого водорода. Использование компактных устройств, в которых в едином пространстве расположены активный и стабильный катализатор и мембрана с селективной водородной проницаемостью, является эффективным и экологически чистым способом получения чистого водорода из биоэтанола. Данная работа посвящена разработке и исследованию технологии получения водорода с использованием реакторов на основе нанесенных асимметричных протонпроводящих мембран и блочных катализаторов в реакции паровой конверсии этанола. Для создания газоплотного функционального слоя каталитической мембраны были синтезированы композиты с использованием порошков вольфрамата неодима (Nd5,5WO11,25-δ), скандата лантана (La0,96Sr0,04ScO3) и наночастиц никель-медного сплава, полученных методом механической активации и модифицированным методом Пекини. Порошки композитов были спрессованы в таблетки и спечены с использованием обычного спекания в печи на воздухе в течении 10 ч, а также с использованием радиационно-термического спекания при температуре 1100°C в течении 30 минут [1-3]. Общая и протонная проводимость материалов были изучены методами Ван-дер-По и импеданс-спектроскопии. Кислородная подвижность была изучена методом термопрограммированного изотопного обмена кислорода с C18O2 в проточном реакторе. Согласно данным, полученным в результате исследования транспортных свойств, композиты обладают высокой общей (~102 – 103 См/см при 600 °C) и протонной (~10 4 См/см при 600 °C), а также умеренной кислородной подвижностью (~10 12 – 10 10 см2/с при 600 °C). Данные свойства способны обеспечить сопряженный перенос электронов, протонов и ионов кислорода в условиях функционирования мембраны и, соответственно, высокую протонную проницаемость мембраны [1 3]. Нанесение нанокомпозита на металлические подложки с градиентной пористостью на основе Ni-Al пеносплава осуществлялось с топливной стороны мембраны из суспензии с последующей прокалкой при 1100 °C в потоке смеси аргона и водорода до достижения газоплотной структуры. Блочный носитель сотовой структуры был изготовлен на основе фольги из фехраля с защитным слоем α-Al2O3, на который был нанесен методом пропитки активный компонент (Ni+ Ru/Pr0,3SmxCe0,35Zr0,35O2-x) [1, 4-6]. Полученная конструкция мембранного каталитического реактора была протестирована с варьированием параметров: концентрации и скорость подачи исходных реагентов, температурные режимы. За счет высокой активности каталитического блока наблюдается почти полная конверсия этанола. Показано, что оптимальными условиями подавления коксообразования являются использование смеси этанола и воды с соотношением 1:6 в низкотемпературном режиме, либо с соотношением 1:4 в области средних температур [5]. При испытании мембраны с нанесенными композитами Ni50Cu50/La0,96Sr0,04ScO3 и Ni50Cu50/ Nd5,5WO11,25-δ был достигнут высокий поток проницаемости ~2 мл H2/(см2мин) и ~ 3 мл H2/(см2мин) при 800 °C соответственно, что является высоким показателем и обеспечивается высокой смешанной кислород-ионной-протонной-электронной проводимостью нанокомпозитов. Для мембраны с нанесенными слоями катализатора в реакции паровой конверсии этанола проницаемость была не выше 1,2 мл H2/(см2мин), что показывает преимущество использования блочного катализатора [5]. Согласно данным математического моделирования процесса в каталитическом мембранном реакторе, важную роль в характеристиках его протекания играет не только перенос через газоплотный слой мембраны, но газофазная диффузия в пористых слоях мембраны, которая определяет до 70 % сопротивления массопереносу и является скоростьопределяющим процессом. Блочный катализатор и его расположение относительно мембраны также влияют на характеристики каталитической реакции и выход водорода [4-6]. Таким образом, разработанные каталитические мембранные реактора представляют потенциальный интерес для получения чистого водорода. Разные части данной работы были выполнены в рамках государственного задания для Института катализа СО РАН (проекты АААА-А21-121011390007-7 и АААА-А21-121011390009-1) и при поддержке Российского Научного Фонда (проект 23-73-00045).

Библиографическая ссылка: Беспалко Ю.Н.
Получение водорода из этанола в каталитическом мембранном реакторе
Научно-практическая конференция «Перспективы развития технологий разделения газов с использованием российских мембран» 02-02 нояб. 2023