Влияние содержания СО2 в синтез-газе на активность и селективность бифункционального катализатора Сo/SiO2+ZSM-5+Al2O3

В работе исследовано влияние содержания СО₂ в синтез-газе на процесс совмещенного синтеза и гидропреобразования углеводородов на бифункциональном Сo/SiO₂+ZSM-5+Al₂O₃-катализаторе. Исследования выполнены в диапазоне изменения содержания СО₂ от 0 до 60 об.% при температурах 240 и 250 °С, давлении 2,0 МПа и ОСГ 1000 ч^–1. Показано, что на бифункциональном кобальтовом катализаторе возможна частичная переработка СО₂ в синтетические углеводороды. Переработка углекислого газа, добавляемого в синтез-газ, происходит в интервале концентраций СО₂ 20–40 об.%. Максимальная конверсия СО₂ составила 5,3 % при 240 °С и 20 об.% СО₂ в газе. В результате добавки СО₂ в синтез-газ в продуктах синтеза Фишера–Тропша возрастает количество углеводородов разветвленного строения. Такие углеводороды способствуют улучшению детонационной стойкости бензина и низкотемпературных свойств дизельной фракции (температуры помутнения, предельной температуры фильтруемости).

1. Peters G.P., Andrew R.M., Canadell J.G., Friedlingstein P., Jackson R.B., Korsbakken J.I., Quéré C.L., Peregon A. Carbon dioxide emissions continue to grow amidst slowly emerging climate policies // Nature Climate Change. 2020. V. 10. № 1. Р. 3-6. DOI: 10.1038/s41558-019-0659-6

2. Pachauri R.K., Allen M.R., Barros V.R., Broome J., Cramer W., Christ R., Church J.A., Clarke L., Dahe Q., Dasgupta P., Dubash N.K., Edenhofer O., Elgizouli I., Field, C.B., Forster P., Friedlingstein P., Fuglestvedt J., Gomez-Echeverri L., Hallegatte S., Hegerl G., Howden M., Jiang K., Jimenez Cisneroz B., Kattsov V., Lee H., Mach K.J., Marotzke J., Mastrandrea M. D., Meyer L., Minx J., Mulugetta Y., O'Brien K., Oppenheimer M., Pereira J.J., Pichs-Madruga R., Plattner G.K., Pörtner Hans-Otto, Power S.B., Preston B., Ravindranath N.H., Reisinger A., Riahi K., Rusticucci M., Scholes R., Seyboth K., Sokona Y., Stavins R., Stocker T.F., Tschakert P., van Vuuren, D., Ypserle J.P. Climate change 2014: synthesis report. Contribution of Working Groups I, II and III to the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva, Switzerland, IPCC, 151 p.

3. Tang Z., Zhang L., Gao R., Wang L., Li X., Zhang C. Efficient Utilization of Carbon Dioxide in Power-to-Gas and Power-to-Liquid Processes: A Vital Path to Carbon Neutrality // Processes. 2023. V. 11. № 7. P. 1898. DOI: 10.3390/pr11071898

4. König D.H., Baucks N., Dietrich R.U., Wörner A. Simulation and evaluation of a process concept for the generation of synthetic fuel from CO2 and H2 // Energy. 2015. V. 91. Р. 833-841. DOI: 10.1016/j.energy.2015.08.099

5. Rafiee A., Panahi M., Khalilpour K.R. CO2 utilization through integration of post-combustion carbon capture process with Fischer-Tropsch gas-to-liquid (GTL) processes // Journal of CO2 Utilization. 2017. V. 18. P. 98-106. DOI: 10.1016/j.jcou.2017.01.016

6. Ra E.C., Kim K.Y., Kim E.H., Lee H., An K., Lee J.S. Recycling carbon dioxide through catalytic hydrogenation: recent key developments and perspectives // ACS Catalysis. 2020. V. 10. № 19. P. 11318-11345. DOI: 10.1021/acscatal.0c02930

7. Lin T., An Y., Yu F., Gong K., Yu H., Wang C., Sun Y., Zhong L. Advances in selectivity control for Fischer–Tropsch synthesis to fuels and chemicals with high carbon efficiency // ACS Catalysis. 2022. V. 12. № 19. P. 12092-12112. DOI: 10.1021/acscatal.2c03404

8. Saeidi S., Najari S., Hessel V., Wilson K., Keil F.J., Concepción P., S.L. Suib. Rodrigues A.E. Recent advances in CO2 hydrogenation to value-added products – Current challenges and future directions // Progress in Energy and Combustion Science. 2021. V. 85. P. 100905. DOI: 10.1016/j.pecs.2021.100905

9. Sakakura T., Choi J.C., Yasuda H. Transformation of carbon dioxide // Chemical reviews. 2007. V. 107. № 6. P. 2365-2387. DOI: 10.1021/cr068357u

10. Kamkeng A.D.N., Wang M. Technical analysis of the modified Fischer-Tropsch synthesis process for direct CO2 conversion into gasoline fuel: Performance improvement via ex-situ water removal // Chemical Engineering Journal. 2023. V. 462. P. 142048. DOI: 10.1016/j.cej.2023.142048

11. Gao P., Li S., Bu X., Dang S., Liu Z., Wang H., Zhong L., Qiu M., Yang C., Cai J., Wei W., Sun Y. Direct conversion of CO2 into liquid fuels with high selectivity over a bifunctional catalyst // Nature chemistry. 2017. V. 9. № 10. Р. 1019-1024. DOI: 10.1038/nchem.2794

12. He Z., Cui M., Qian Q., Zhang J., Liu H., Han B. Synthesis of liquid fuel via direct hydrogenation of CO2 // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2019. V. 116. № 26. P. 12654-12659. DOI: 10.1073/pnas.1821231116

13. Gao P., Zhang L., Li S., Zhou Z., Sun Y. Novel heterogeneous catalysts for CO2 hydrogenation to liquid fuels // ACS Central Science. 2020. V. 6. № 10. P. 1657-1670.

14. Yakovenko R.E., Zubkov I.N., Savost’yanov A.P., Soromotin V.N., Krasnyakova T.V., Papeta O.P., Mitchenko S.A. Hybrid Catalyst for the Selective Synthesis of Fuel Range Hydrocarbons by the Fischer–Tropsch Method // Kinetics and Catalysis. 2021. V. 62. P. 172-180. DOI: 10.1134/S0023158421010122

15. Have I. C. et al. Uncovering the reaction mechanism behind CoO as active phase for CO2 hydrogenation //Nature Communications. – 2022. – Т. 13. – №. 1. – С. 324. https://doi.org/10.1038/s41467-022-27981-x

16. Yakovenko R.E., Savost'yanov A.P., Narochniy G.B., Soromotin V.N., Zubkov I.N., Papeta O.P., Svetogorov R.D., Mitchenko S.A. Preliminary evaluation of a commercially viable Co-based hybrid catalyst system in Fischer-Tropsch synthesis combined with hydroprocessing // Catalysis Science & Technology. 2020. V. 10. № 22. Р. 7613-7629. DOI: 10.1039/D0CY00975J

17. Нарочный Г.Б., Зубков И.Н., Савостьянов А.П., Аллагузин И.Х., Лавренов С.А., Яковенко Р.Е. Бифункциональный кобальтовый катализатор для синтеза низкозастывающего дизельного топлива методом Фишера–Тропша – от разработки к внедрению. Часть 3. Опыт промышленной реализации технологии приготовления // Катализ в промышленности. 2024. V. 24. № 1. C. 34-43. DOI: 10.18412/1816-0387-2024-1-34-43

18. Yakovenko R.E., Narochnyi G.B. Zubkov I.N., Bozhenko E.A., Kataria Y.V, Svetogorov R.D., Savost’yanov A.P. Selective Synthesis of a Gasoline Fraction from CO and H2 on a Co-SiO2/ZSM-5/Al2O3 Catalyst // Catalysts. 2023. V. 139(9). P.1314. DOI: 10.3390/catal13091314

19. Хаджиев С.Н., Магомедова М.В., Пересыпкина Е.Г. Выбор схемного решения GTL-процесса для технологии ИНХС РАН // Нефтехимия. 2016. Т. 56. № 6. С. 567-577. DOI: 10.7868/S0028242116060095

20. Savost’yanov A.P., Narochnyi G.B., Yakovenko R.E., Mitchenko S.A., Zubkov I.N. Enhancement of the Fischer–Tropsch process for producing long-chain hydrocarbons on a cobalt–alumina–silica gel catalyst // Petroleum Chemistry. 2018. V. 58. P. 76-84. DOI: 10.1134/S0965544118010139

21. Ahmad E., Upadhyayula S., Pant K.K. Biomass-derived CO2 rich syngas conversion to higher hydrocarbon via Fischer-Tropsch process over Fe–Co bimetallic catalyst // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. V. 44. № 51. P. 27741-27748.