Katalizator, sposób jego wytwarzania i zastosowanie do produkcji wodoru

---

ZESPÓŁ AUTORSKI

Uniwersytet Jagielloński w Krakowie i Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie

• dr Gabriela Grzybek,
• prof. dr hab. Kinga Góra-Marek,
• dr inż. Karolina Tarach,
• dr Magdalena Greluk,
• dr Grzegorz Słowik

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Innowacyjne rozwiązanie dotyczy katalizatora przeznaczonego do produkcji wodoru na drodze reformingu parowego etanolu. W ramach wynalazku zaproponowano optymalny skład materiału na bazie nano- i mikrometrycznego zeolitu ZSM-5 o bardzo wysokich modułach krzemowych (Si/Al≥750) modyfikowanego kobaltem i sposób jego wytwarzania. Dzięki opracowanemu składowi katalizatora, wynalazek zapewnia faworyzowanie mechanizmu reformingu parowego do wodoru, wysoką konwersję etanolu oraz selektywność w kierunku celowego produktu. Skład fazy aktywnej katalizatora oparty jest metalach nieszlachetnych, co w znaczący sposób ogranicza koszty syntezy. Opracowany materiał może znacząco przyczynić się do polepszenia ekonomiki technologii produkcji wodoru jako czystego paliwa przyszłości.

ISTOTA WYNALAZKU

Szacuje się, iż 80% współczesnego światowego zapotrzebowania na energię zaspokajane jest przez użytkowanie paliw kopalnych, co w przyszłości może przyczynić się z jednej strony do poważnego kryzysu energetycznego (wyczerpywanie się złóż konwencjonalnych), z drugiej zaś stanowi zagrożenie dla stabilności ekosystemu naszej planety (emisja GHG, ang. Greenhouse Gas). Z tego powodu jednym z głównych zadań polityki klimatycznej są poszukiwania nowych, czystych źródeł energii. Jednym z najbardziej perspektywicznych paliw przyszłości jest wodór. Gaz ten może stać się istotnym paliwem przede wszystkim dla sektora transportowego, który mierzy się obecnie z coraz bardziej rygorystycznymi wymogami legislacyjnymi w zakresie redukcji emisji zanieczyszczeń. Naturalną konsekwencją takich uwarunkowań jest intensywne poszukiwanie nowych technologii produkcji wodoru.
Najbardziej ekonomiczną, a tym samym najpowszechniejszą technologią produkcji wodoru, jest reforming parowy metanu (SRM, ang. Steam Reforming of Methane). Niemniej jednak, technologia ta oparta jest na wykorzystaniu gazu ziemnego, więc przyczynia się do wzrostu emisji ditlenku węgla do atmosfery. Atrakcyjną alternatywą dla SMR może być reforming parowy etanolu (SRE, ang. Steam Reforming of Ethanol). Biorąc pod uwagę fakt, iż można w tym celu zastosować etanol fermentacyjny (bioetanol), technologia SRE pozostaje neutralna w kontekście emisji GHG (zamknięty obieg węgla w cyklu: emisja ditlenku węgla – wychwyt przez rośliny i fotosynteza – przeróbka biomasy). Przedmiotem wynalazku jest katalizator zawierający zeolit ZSM-5 modyfikowany kobaltem (zamiast metali szlachetnych) przeznaczony do technologii SRE. Istotą przewagi wynalazku w odniesieniu do dotychczasowych rozwiązań jest:
- zastosowanie materiału zeolitowego o bardzo wysokich modułach krzemowych lub czystokrzemowych, co zapewnia faworyzację mechanizmu reakcji reformingu etanolu w kierunku wodoru (podczas gdy obecność glinu w strukturze mikroporowatej katalizatora zmienia ścieżkę reakcji w kierunku dehydratacji alkoholu do etylenu, jak to opisywano we wcześniejszych rozwiązaniach);
- wysoka żywotność katalizatora potwierdzona długoterminowymi testami katalitycznymi;
- nanometryczny rozmiar ziaren katalizatora, który ma znaczący wpływ na aktywność katalityczną, ponieważ mniejsze rozmiary ziaren zapewniają zwiększenie aktywności materiału;
- rozwinięta powierzchnia właściwa materiału, która umożliwia ograniczenie masy wsadu katalizatora niezbędnego do uzyskania pożądanych parametrów procesu reformingu;
- odporność katalizatora na obecność wody w surowcu, co otwiera możliwość zastosowania bioetanolu bez wstępnego procesu osuszania (ograniczenie czaso- i energochłonności całego ciągu technologicznego).

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Opracowany katalizator może zostać wdrożony do przemysłowego procesu produkcji wodoru na drodze reformingu parowego (bio)etanolu (SRE) – technologii całkowicie niezależnej od zastosowania paliw kopalnych, a tym samym neutralnej z punktu widzenia emisji ditlenku węgla do atmosfery. Odpowiedni skład katalizatora zapewnia faworyzowanie pożądanej ścieżki reakcyjnej, co umożliwia osiągnięcie wysokich stopni konwersji surowca oraz selektywności w kierunku formowania wodoru. Dzięki zastosowaniu kobaltu w miejsce metali szlachetnych, synteza materiału jest znacznie bardziej ekonomiczna. Długookresowe testy katalityczne potwierdziły zadowalającą żywotność katalizatora w warunkach procesowych. Należy również podkreślić wysoką odporność materiału na obecność wody w surowcu alkoholowym. Ma to kluczowe znaczenie w kontekście możliwości zastosowania bioetanolu bez konieczności jego głębokiego osuszania, co wydatnie polepsza ekonomikę całego ciągu technologicznego.