Биомасса нам поможет: получать искусственное горючее стало гораздо проще
Производить жидкое топливо из биомассы с хорошей эффективностью научились ученые из Японии и Китая, сообщает научный портал Nature 19 сентября со ссылкой на журнал Nature Catalysis.
Ученые усовершенствовали классический процесс Фишера-Тропша, позволяющий превращать каменный уголь в синтетическое моторное топливо. Реакция ускорялась наночастицами кобальта, которые использовались вместо металлического порошка. Чтобы достичь еще большей эффективности, катализатор предварительно наносили не на оксид алюминия (Al2O3) или силикагель (SiO2), как это делали раньше, а на цеолит — алюмосиликатный минерал с диаметром пор порядка 10–8 м.
В отличие от оригинальной методики 1920-х гг., сырьем для такого производства может служить не только уголь, но и другие, более доступные источники органического углерода — например, растительная биомасса (фитомасса). Варьируя состав цеолитной подложки, исследователи получали синтетический бензин, керосин и дизельное топливо с эффективностью 74, 72 и 58%, соответственно. Примечательно, что готовый продукт можно не очищать от твердых восков, за счет чего классическая трехстадийная схема Фишера-Тропша сводится к двухстадийной.
Отметим, что производить синтетическое моторное топливо первыми научились немцы во времена Веймарской республики. Поскольку Германия была отрезана от нефтяных месторождений, зато обладала большими запасами угля, тамошние химики пытались искусственно превратить его в жидкое горючее. Впервые это удалось в 1919 году Фридриху Бергиусу. Ученый подобрал оптимальное давление водорода (H2) и температуру, при которых уголь ожижается с приемлемым выходом.
Более известен процесс Фишера-Тропша, разработанный в той же Германии спустя 6 лет. В первоначальном исполнении методика включала три стадии. Сначала сквозь раскаленную угольную массу продувают перегретый водяной пар, что приводит к образованию так называемого синтез-газа, состоящего из H2 и монооксида углерода (CO). Полученный продукт пропускают над железным или кобальтовым катализатором, получая смесь твердых (воски) и жидких углеводородов. Ее, в свою очередь, разделяют на топливные фракции, предварительно избавившись от восков путем так называемого гидрокрекинга.
В нацистской Германии производство жидкого синтетического горючего (так называемого когазина) велось на широкую ногу. В частности, топливо для моторизованных частей вермахта почти целиком производили из угля, добытого в Рурском бассейне.
По окончанию Второй мировой войны ожижение твердого топлива из-за низкой рентабельности и открытия новых нефтяных месторождений практически сошло на нет. Однако оно по-прежнему актуально в некоторых провинциях Китая, где добыча угля обходится необычайно дешево.
Производство синтетического бензина также наладили с 1950-х гг. в Южно-Африканской Республике (ЮАР), которая во времена апартеида испытывала нехватку нефти в связи с международными санкциями. Процесс Фишера-Тропша адаптировала под местные нужды компания Sasol Ltd., существующая и по сей день.
Возможное возрождение отрасли связывают с поиском новых и модернизацией существующих катализаторов. Экспериментальные производства синтетического моторного топлива с начала 1990-х гг. имеют нефтяные гиганты Exxon и Shell, равно как и менее крупные компании.
Запасы нефти, равно как и каменного угля, рано или поздно будут исчерпаны на нашей планете. Принимая во внимание это обстоятельство, ученые в течение нескольких десятилетий пытаются развивать альтернативную энергетику и электротранспорт. Однако у этой проблемы есть и другое решение — разработка дешевой и эффективной методики, которая позволит получать жидкое синтетическое горючее из природного органического сырья.
В самом деле, общая фитомасса Земли составляет 2 400 млрд т, что в 1,5 раза превышает общемировые залежи нефти. Эти огромные запасы, в отличие от горючих полезных ископаемых, являются возобновляемым, то есть практически неисчерпаемым ресурсом. Если научиться использовать их для нужд топливно-энергетического комплекса, проблема нехватки горючих полезных ископаемых отпадет сама собой. Можно констатировать, что коллектив китайских и японских ученых сделал существенный шаг в этом направлении.
