사바티에 반응

Sabatier reaction
폴 사바티에(1854년-1941년) 1912년 노벨 화학상 수상자로 1897년 반응 발견자

사바티에 반응 또는 사바티에 과정은 니켈 촉매의 존재 하에서 높아진 온도(최적 300–400°C)와 압력(약 3MPa)에서 수소와 이산화탄소의 반응으로부터 메탄과 물을 생성한다.이것은 1897년 프랑스의 화학자 폴 사바티에와 장 밥티스트 센데렌스에 의해 발견되었다.선택적으로 알루미나(산화 알루미늄)에 루테늄을 사용하면 더 효율적인 촉매를 만들 수 있습니다.이는 다음과 같은 발열 [2]반응에 의해 설명된다.

H = -180.0kJ/mol

수소화 [3]전에 먼저 adatom 수소를 흡착하여 산소 중간체를 형성하거나 수소화되기 전에 카르보닐을 분리하여 형성함으로써 CO2 메탄화가 발생하는지에 대해서는 이견이 있다.

4 + O ({ + > { + h H = - 420 kJ / mol

CO메탄화는 수소화2 전에 탄소산소 결합이 분해되고 높은 H 농도로만 관찰되는 결합 메커니즘에 의해 발생하는 것으로 여겨진다.

Ni,[4] Ru[5] 및[6] Rh를 포함한 다른 운반 금속 촉매에 대한 메탄화 반응은 singas로부터의 CH 생산 [3]및 기타4 가스 이니셔티브에 대한 다른 동력 생성에 대해 광범위하게 연구되어 왔다.니켈은 높은 선택성과 낮은 비용으로 [2]인해 가장 널리 사용되는 촉매입니다.

적용들

합성천연가스 생성

주요 기사: 탄소 중립 연료

메타네이션은 합성 또는 대체 천연가스(SNG)[7] 생성에 있어 중요한 단계입니다.석탄이나 목재는 최종 정화 단계만 거치면 되는 사용 가능한 가스를 생산하기 위해 메탄가스를 생성해야 하는 가스화 과정을 거친다.

최초의 상업용 합성 가스 공장은 1984년에 문을 열었으며 노스다코타 [2]주 뷰라에 있는 그레이트 플레인즈 신연료 공장이다.2016년 현재 가동 중이며 석탄을 탄소원으로 사용하여 1500MW 상당의 SNG를 생산하고 있습니다.개업 이래, 목재 [2]칩등의 다른 카본 자원을 사용해 다른 상업 시설도 개업하고 있습니다.

프랑스에서는 2017년 11월 낭트에 위치한 AFUL 샹트리에 의해 시위대 MINERVE가 문을 열었다.이 메타네이션 유닛은 Top Industrie에 의해 Leaf의 지원을 받아 하루에 14mm3로 제작되었습니다.이 공장은 CNG 스테이션에 연료를 공급하고 천연가스 [8]보일러에 메탄을 주입한다.

사바티에 반응은 풍력, 태양광 발전, 수력, 해양 전류 등에 의해 생성된 잉여 전기를 물 전기 [9][10]분해에서 수소로 메탄을 만들기 위해 재생 에너지 주도 에너지 시스템에서 사용되어 왔다.수송 또는 에너지 저장 [11]용도로 수소를 직접 사용하는 것과 달리, 메탄은 기존 가스 [12][13][14]네트워크에 주입될 수 있습니다.메탄은 재생 에너지 생산의 저점을 극복하고 전기를 생산하기 위해 온디맨드 방식으로 사용될 수 있다.그 과정은 물을 전기로 전기 분해하여 수소를 만들고 이산화탄소2 CO를 첨가하여 메탄을 만드는 것이다.CO는2 대기 또는 화석 연료 폐기물 가스로부터 아민 과정을 통해 추출될 수 있습니다.[citation needed]

6MW급 가스 발전소는 2013년 독일에서 생산되기 시작했으며 1,[15]500대의 Audi A3에 전력을 공급했습니다.

암모니아 합성

암모니아 생산에서 CO와2 CO는 가장 일반적으로 사용되는 [16]촉매에 대한 독으로 간주됩니다.메탄화 촉매는 암모니아 합성률에 유사한 악영향을 미치지 않기 때문에 암모니아 합성 루프의 탄소 산화물 축적을 방지하기 위해 여러 수소 생성 단계를 거쳐 첨가된다.

국제 우주 정거장 생명 유지 장치

국제우주정거장에 탑재된 산소발생기는 전기분해를 이용해 물로부터 산소를 생산한다; 생성된 수소는 이전에 우주로 버려졌다.우주 비행사들이 산소를 소비하면서 이산화탄소가 생성되는데, 이산화탄소는 공기 중에서 제거되고 버려져야 한다.이 접근법은 인간의 소비, 위생 및 기타 용도로 사용되는 것 외에 산소를 생성하기 위해 우주 정거장으로 정기적으로 많은 양의 물을 운반해야 했습니다. 이는 낮은 지구 궤도를 넘어서는 미래의 장기 임무에 사용할 수 없는 사치입니다.

NASA는 사바티에 반응을 국제우주정거장에서 전기분해로 폐기된 이산화탄소와 수소를 회수하기 위해 그리고 아마도 미래의 임무를 [17][18]위해 사용하고 있다.또 다른 화학 물질인 메탄은 우주로 방출된다.투입 수소의 절반이 메탄으로 낭비되면서 지구로부터 추가로 수소가 공급돼 그 차이를 메탄으로 만든다.하지만, 이것은 물과 산소, 이산화탄소 사이에 거의 닫힌 순환을 만들어내는데, 이것은 비교적 적은 양의 수입 수소만 있으면 유지된다.

다른 호흡 결과를 무시하면 이 주기는 다음과[citation needed] 같습니다.

폐기 메탄이 열분해로 성분 부분으로 분리되면 루프가 더욱 폐쇄될 수 있으며, 1200°[19]C에서 고효율(최대 95% 변환)을 달성할 수 있습니다.

방출된 수소는 다시 사바티에 원자로로 재활용되어 쉽게 제거된 열분해 흑연 퇴적물을 남긴다.이 원자로는 강철 파이프에 불과할 것이며, 퇴적물을 [citation needed]뽑아내는 우주 비행사에 의해 정기적으로 수리될 수 있을 것이다.

또는 탄소 가스의 형태를 [20]아세틸렌으로 유지하면서 폐 메탄의 불완전한 열분해로 루프가 부분적으로 폐쇄될 수 있다(CH에서 H의4 752 %가 회수됨).

또한 이러한 목적으로 NASA에서 Bosch 반응을 조사하고 있으며,[21] 다음과 같습니다.

Bosch 반응은 완전히 닫힌 수소 및 산소 사이클을 나타내며, 폐기물로만 원자 탄소를 생성합니다.그러나 최대 600°C의 온도를 유지하고 탄소 침전물을 적절하게 처리하는 데 어려움이 있어 Bosch 원자로가 실현되기 전에 훨씬 더 많은 연구가 필요할 것입니다.한 가지 문제는 원소 탄소의 생성으로 촉매의 표면(코킹)이 오염되어 반응 효율에 악영향을 미친다는 것입니다.

화성에서의 추진제 제조

Sabatier 반응은 현장 자원 활용을 통해 화성(Mars Direct, SpaceX Starship)에 대한 인간의 임무 비용을 절감하는 핵심 단계로 제안되어 왔다.수소는 대기 중의 CO와2 결합되어 메탄은 연료로 저장되고 물 측 생성물은 전해져 산소를 액화시켜 산화제로 저장하고 수소는 원자로로 재활용된다.원래의 수소는 지구에서 운반되거나 화성의 [22][23]수원에서 분리될 수 있다.

수소의 Import

소량의 수소를 수입하면 물 찾기를 피할 수 있고 대기 중의 이산화탄소만 사용한다2.

"기본적인 사바티에 메탄화 반응의 변형은 혼합 촉매층과 단일 원자로의 역수 가스 이동을 통해 화성 대기 중의 이산화탄소를 이용하여 화성에서 이용 가능한 원료로부터 메탄을 생산하기 위해 사용될 수 있습니다.모의 화성 대기에서 CO를 채취하여2 H와2 반응시킨 2011년 시제품 시험 운영은 메탄 로켓 추진제를 1일 1kg/일의 비율로 생산하여 5일 연속 자율 운용하여 거의 100%의 전환률을 유지하였다.이 설계의 최적화된 시스템은 50kg 질량을 "1일당 1kg의2 O:CH4 추진제... 메탄 순도가 98+%인 동시에 하루에 최대 17kWh의 전력을 소비합니다(연속 출력 700W).최적화된 시스템에서 예상되는 전체 단위 전환 속도는 17 MWh 에너지 [24]입력당 1톤의 추진제입니다."

수소 수입에 관한 스토이코메트리 문제

산소:메탄 엔진의 경우 산화제와 연료의 화학 측정 비율은 2:1입니다.

그러나 사바티에 원자로를 한 번 통과하면 1:1의 비율만 발생한다.물 가스 이동 반응(WGSR)을 역방향(RWGS)으로 실행하여 이산화탄소를 일산화탄소로 환원하여 효과적으로 대기에서 산소를 추출함으로써 더 많은 산소를 생산할 수 있습니다.

또 다른 방법은 필요 이상으로 많은 메탄을 만들고 그 과잉을 탄소와 수소로 분해하는 것이다(위 섹션 참조). 여기서 수소는 원자로로 재활용되어 더 많은 메탄과 물을 생성한다.자동화된 시스템에서는 뜨거운 화성2 CO를 사용하여 탄소를 일산화탄소로 산화시켜(Boudouard 반응을 통해)[25] 배출함으로써 탄소 침전물을 제거할 수 있습니다.

화학량 측정 문제에 대한 네 번째 해결책은 다음과 [citation needed]같이 단일 원자로에서 사바티에 반응과 역수 가스 이동(RWGS) 반응을 결합하는 것이다.

이 반응은 약간 발열성이며, 물이 전해질 때 산소 대 메탄비가 2:1이 된다.

어떤 산소 고정 방법을 사용하든 전체 프로세스는 다음 [citation needed]방정식으로 요약할 수 있습니다.

분자량을 보면, 메탄 16그램과 산소 64그램이 20:1의 질량 이득을 위해 4그램의 수소(화성 물이 전해되지 않는 한 지구로부터 수입되어야 한다)를 사용하여 생성되었고, 메탄과 산소는 로켓 엔진에서 연소되기 위한 적절한 화학량비율이다.이러한 종류의 현장 자원 활용을 통해 제안된 유인 화성이나 샘플 반송 미션에 막대한 무게와 비용을 절감할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크