Руководитель проекта – Тунгатарова С.А., зав. лабораторией окислительного катализа, доктор химических наук, профессор. s.tungatarova@ifce.kz +7 727 2916632
Актуальность: В связи с неизбежным исчерпанием традиционных источников энергии в мире началось интенсивное изучение процессов с участием биогаза в качестве альтернативного источника не только энергии, но и сырья для нефтехимического производства. Биогаз, образующийся в результате анаэробного брожения биомассы, является неисчерпаемым возобновляемым ресурсом для получения ценных продуктов, таких как синтез-газ, водород. Для переработки подходит даже биогаз «низкого» качества, что позволяет избежать дорогостоящих методов его получения. Основными компонентами биогаза являются метан (50-80%) и СО2 (20-50%). Разработка научных основ его использования для получения моторных топлив представляется актуальной задачей. В настоящее время биогаз находит применение в основном только в качестве топлива. Поэтому практическое использование ограничивается в основном построением установок в сельской местности для отопления различных помещений, теплиц, складов и т.д. Химическая переработка биогаза в синтез-газ является наиболее перспективным вариантом его утилизации. Синтез-газ – это современное экологически чистое топливо, сгорающее без вредных примесей. С другой стороны синтез-газ – это основа нефтехимических синтезов. Биогаз является очень удобным компонентом для его синтеза, так как содержит в своем составе оба реакционных компонента: метан и диоксид углерода, соотношение которых также благоприятствует реакции углекислотной конверсии метана с получением синтез-газа.
Цель:разработка фундаментальных основ синтеза новых композитных катализаторов для процесса конверсии возобновляемого сырья – биогаза в синтез-газ, что будет способствовать организации нового экологически чистого энергосберегающего «зеленого» производства как в промышленном масштабе, так и на уровне мелких крестьянских/муниципальных хозяйств в республике, конкурентоспособного с традиционной нефтеперерабатывающей промышленностью.
Ожидаемые и достигнутые результаты:
– ожидаемые результаты за 2020 год: Будут синтезированы композитные катализаторы для получения экологически чистых топливных смесей на основе синтез-газа и водорода. Будут проведены синтезы методами СВС, SCS и сравнены с традиционным методом пропитки.
– достигнутые результаты за 2020 год: Синтезированы композитные катализаторы для получения экологически чистых топливных смесей на основе синтез-газа и водорода. Проведены синтезы методами СВС, SCS и сравнены с традиционным методом пропитки. Установлено, что химическая активность восстановителей (мочевины и глицина) способствует более энергичным реакциям горения для инициирования образования порошков с размерами кристаллита в субмикронном/наноразмерном диапазоне. Глицин в качестве восстановителя в реакции с нитратом производит больше газов, чем при использовании мочевины. Это приводит к образованию более пористой структуры, чем в случае мочевины. Установлена зависимость скорости горения от исходного состава шихты. Были синтезированы катализаторы и изучены характеристики горения, состав и структура полученных катализаторов, а также удельная поверхность. Увеличение концентрации NiO и уменьшение концентрации Al в первоначальной шихте приводило к увеличению скорости реакции. Это связано с приближением к стехиометрическому составу, а значит большему выделению тепла и увеличению скорости реакции. Установлен температурно-временной профиль объемного режима горения.
– ожидаемые результаты за 2021 год: Будут определены оптимальные составы катализаторов, изучены их свойства методами РФА, ПЭМ, СЭМ. Будут определены поверхность и пористость образцов методом БЭТ, формы адсорбированного кислорода и водорода серией температурно-программированных методов. Будут испытаны катализаторы в процессе углекислотной конверсии и определены зависимости каталитической активности от состава и свойств синтезированных образцов. Будут опубликованы 2 статьи в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, входящих в 1, 2 либо 3 квартили в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50.
– достигнутые результаты за 2021 год: Определены поверхность и пористость образцов методом БЭТ, формы адсорбированного кислорода и водорода серией температурно-программированных методов. Испытаны катализаторы в процессе углекислотной конверсии и определены зависимости каталитической активности от состава и свойств синтезированных катализаторов. С увеличением количества воды, добавляемой при приготовлении катализаторов, увеличивается средний размер пор и поверхность, что связано с интенсивностью и временем испарения воды в процессе формирования катализатора, а также с формированием комплексных соединений с водой в процессе растворения нитратов и мочевины. Чем больше воды, тем образуется более пористый материал и снижается температура горения, что приводит к увеличению площади поверхности нанокатализатора. В результате температурно-программированной десорбции кислорода с исследуемых катализаторов обнаружено значительное увеличение количества слабосвязанного кислорода в области низких температур, и прочносвязанного кислорода в области высоких температур. Десорбция в низкотемпературной области принадлежит к слабосвязанному кислороду, а пик, обнаруженный в высокотемпературной области, связан с разложением оксидов. С повышением температуры от 600 до 900оС конверсия СН4 повышалась от 54,8% до 99,8%, а конверсия СО2 – от 45,8% до 99,9%, соотношение Н2/СО снижалось от 2,0 до 1,5. Опубликованы 2 статьи в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, входящих в 2 (второй) квартиль в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50.
– ожидаемые результаты за 2022 год: Будут выявлены оптимальные условия процесса при варьировании технологических параметров, в том числе на автоматизированной укрупненной установке. Будет определена термическая устойчивость синтезированных композитных катализаторов в реакции риформинга биогаза. Будет выдан технологический регламент на изготовление катализатора и рекомендации по его использованию. Будет опубликована 1 статья в рецензируемом научном издании по научному направлению проекта, входящему в 1, 2 либо 3 квартили в базе Web of Science и (или) имеющему процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50, а также 1 статья в рецензируемом зарубежном и (или) отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованном КОКСОН). Будет получен патент на полезную модель.
– достигнутые результаты за 2022 год: Выявлены оптимальные условия процесса при варьировании технологических параметров (температура, объемная скорость, концентрация), в том числе на автоматизированной укрупненной установке. Наиболее высокие выходы Н2 (49,1%) и СО (36,6%) при селективности по Н2 (76,1%) и СО (95,6%) достигнуты при объемной скорости 2000 ч-1 в процессе углекислотной конверсии метана. Показано, что при объемных скоростях от 860 до 2860 ч-1 возможно получение наиболее высоких показателей по выходу и селективности по целевым продуктам Оптимальные выходы и селективности были зафиксированы при добавлении 15 мл воды в процессе приготовления катализаторов при температуре реакции 800оС. 20%-ное содержание Ni в образцах является наиболее подходящим из серии испытанных образцов. Тестирование в укрупненной автоматизированной установке привело к незначительному снижению показателей процесса на 3-6%. Была исследована стабильность разработанного 20% Ni – 20% Al – 5% Mg – 5% Mn/50% мочевина катализатора при 800°С и объемной скорости 6500 ч-1. Непрерывная работа катализатора в условиях эксперимента в течение 60 часов не снизила его активности. Все показатели процесса сохранили свое первоначальное значение. Был разработан технологический регламент на приготовление катализатора для процесса углекислотной конверсии метана в синтез-газ. Даны описания технологического процесса, схема процесса приготовления катализатора, общая характеристика производства, характеристика сырья, материалов и полупродуктов, материальный баланс на приготовление 200 кг катализатора, расходы на приготовление 200 кг катализатора 10% Ni + 35% Al + 5% Mg / мочевина. Опубликована 1 статья в рецензируемом научном издании по научному направлению проекта, входящему в 2 квартиль в базе Web of Science и имеющему процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50, а также 1 статья в рецензируемом отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованном КОКСОН). Получен патент на полезную модель.
Члены исследовательской группы
- Тунгатарова С.А. – Researcher ID: Р-8643-2014, Scopus ID: 10341273600, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6005-747X
- Жексенбаева З.Т. – Researcher ID: A-9954-2015, Scopus ID: 15128361200, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8227-5750
- Байжуманова Т.С. – Researcher ID: AAQ-8035-2020, Scopus ID: 36052521200, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9851-2642
- Сарсенова Р.О. – Researcher ID: ABE-9513-2021, Scopus ID: 57188551247, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5669-8178,
- Жумабек М. – Researcher ID: AAS-1603-2020, Scopus ID: 56941879300, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2026-0577
- Касымхан К. – Researcher ID: ABE-9515-2021, Scopus ID: 56941923900, ORCID: 0000-0001-6220-9836
- Кәуменова Г.Н. – Researcher ID: AAR-4093-2020, Scopus ID: 57195993717, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6448-6607
- Манабаева А.М. – Researcher ID: ABF-9442-2021, Scopus ID: 57220037244, ORCID: https://orcid.org/ 0000-0002-4831-1241
- Шораева К.А. – Researcher ID: Q-3038-2017, Scopus ID: 56941923900, ORCID: 0000-0001-8777-8453.
Список публикаций и патентов
2020: Нет
2021:
1 Zhumabek M., Xanthopoulou G., Tungatarova S.A., Baizhumanova T.S., Vekinis G., Murzin D. Biogas reforming over Al-Co catalyst prepared by solution combustion synthesis method // Catalysts. – 2021. – Vol. 11, No 2. – 274. https://doi.org/10.3390/catal11020274 IF 4,501. Q2. Percentile 78.
2 Zhang X., Vajglova Z., Mäki-Arvela P., Peurla M., Palonen H., Murzin D.Yu., Tungatarova S., Baizhumanova T., Aubakirov Y. Mono- and bimetallic Ni-Co catalysts in dry reforming of methane // ChemistrySelect. – 2021. – Vol. 6. – P. 3424-3434. https://doi.org/10.1002/slct.202100686 IF 2,109. Q2. Percentile 58.
3 Xanthopoulou G., Varitis S., Zhumabek M., Karanasios K., Vekinis G., Tungatarova S., Baizhumanova T. Direct reduction of greenhouse gases by continuous dry (CO2) reforming of methane over Ni-containing SHS catalysts // Energies. – 2021. – Vol. 14, No 19. – P. 6078-6090. https://doi.org/10.3390/en14196078. IF 3,004. Q2. Percentile 85.
4 Tungatarova S., Xanthopoulou G., Vekinis G., Baizhumanova T., Zhumabek M., Kotov S., Manabayeva A. Production of hydrogen-containing clear fuel from biogas // Chemical Engineering Transactions. – 2021. – Vol. 88. – P. 1093-1098. DOI: 10.3303/CET2188182. IF 0,76. Q3. Percentile 37.
5 Zhumabek M., Kaumenova G.N., Manabayeva A., Sarsenova R.O., Kotov S.O. Ni-Al-Mg-Mn composite catalysts for partial oxidation of natural gas // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series Chemistry and Technology. – 2021. – Vol. 4, No 448. – P. 19-26. https://doi.org/10.32014/2021.2518-1491.62. IF КазБЦ 0,251.
6 Tungatarova S.A., Xanthopoulou G., Baizhumanova T.S., Murzin D.Yu., Vekinis G., Kaumenova G.N., Kotov S.O. Biogas reforming and bi-reforming of methane over composite materials prepared by combustion synthesis // III International Scientific Conference on Energy and Resource Efficiency in Sustainable Development SEWAN2021, Saint-Petersburg, April 19-24, 2021 / Saint-Petersburg, 2021. – P. 188.
7 Kaumenova G.N., Xanthopoulou G., Aubakirov Y.A., Sarsenova R.O., Sovetbek Y.K.., Kazybekkyzy N., Manabayeva A., Tungatarova S.A., Baizhumanova T.S. Composite materials based on La–Mg–Mn–Ni–Al in catalytic oxidative reforming of methane // VII International Russia-Kazakhstan Scientific-Practical Conference, Novosibirsk, April 28-30, 2021 / Novosibirsk, 2021. – P. 63-65.
8 Tungatarova S., Xanthopoulou G., Baizhumanova T., Zhumabek M., Kaumenova G., Kotov S. Biogas reforming and bi-reforming of methane over composite materials prepared by combustion synthesis // 2nd International Conference on Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis RKMC, Budapest, May 20-22, 2021 / Budapest, 2021. – P. 133.
9 Tungatarova S.A., Xanthopoulou G., Kaumenova G.N., Zhumabek M., Baizhumanova T.S., Kotov S. Carbon dioxide reforming of methane for production of synthesis-gas // 24th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA, Prague, March 15-18, 2021 / Prague, 2021. – P1.17.
10 Zhang X., Murzin D.Y., Kotov S.O., Sovetbek Y.K., Tungatarova S.A., Baizhumanova T.S. Biogas and its utilization into synthesis-gas and hydrogen rich fuel compositions // XXIX International Materials Research Congress, Cancún, August 15-19, 2021 / Cancún, 2021. – SimC8-abs006.
11 Zhumabek M, Tungatarova S.A., Baizhumanova T.S., Kotov S.O., Massalimova B.K. Biogas reforming on solution combustion synthesis // XXIV International Conference on Chemical Reactors CHEMREACTOR-24, Milan, September 12-17, 2021 / Milan, 2021. – P. 126.
12 Tungatarova S., Xanthopoulou G., Vekinis G., Baizhumanova T., Zhumabek M., Kotov S., Manabayeva A. Production of hydrogen-containing clear fuel from biogas // 24th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction PRES’21, Brno, October 31 – November 3, 2021 / Brno, 2021. – P. 0303.
2022:
1 Tungatarova S., Xanthopoulou G., Vekinis G., Karanasios K.,Baizhumanova T., Zhumabek M., Sadenova M.A. Ni-Al SHS Catalysts in Dry Reforming of Methane to Hydrogen-Enriched Fuel Mixtures // Catalysts. – 2022. – Vol. 12, No 10. – P. 1270. https://doi.org/10.3390/catal11020274 IF 4,501. Q2. Percentile 78.
2 Zhumabek M., Tungatarova S.A., Kaumenova G.N., Manabayeva A.M., Kotov S.O. Ni-Al-Zr composite catalysts for partial oxidation of natural gas // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series Chemistry and Technology. – 2022. – No 4(453). – P. 26-36. https://doi.org/10.32014/2518-1491.131 IF КазБЦ 0,251.
3 Патент РК на полезную модель №7538. Способ приготовления катализатора для получения синтез-газа. Тунгатарова С.А., Ксандопуло Г., Байжуманова Т.С., Мурзин Д.Ю., Жумабек М., Кауменова Г.Н., Котов С.И., Манабаева А.М. Подана заявка, Август 2022. Опубликовано в Бюл. № 43 от 28.10.2022.
4 Tungatarova S.A., Baizhumanova T.S., Zhumabek M., Kotov S.O. Biogas and its utilization into synthesis-gas and hydrogen rich fuel compositions // 27nd North American Catalysis Society Meeting NAM27, New York, May 22-27, 2022 / New York, 2022. – A. 28290.
5 Tungatarova S., Baizhumanova T., Zhumabek M., Kaumenova G., Manabayeva A. Production of «blue» hydrogen from methane on catalysts prepared by the SHS method // 26th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA2022, Prague, August 21-25, 2022 / Prague, 2022. – P1.27.
6 Tungatarova S., Xanthopoulou G., Vekinis G., Baizhumanova T., Kaumenova G., Zhumabek M. Production of «blue» hydrogen by reforming of methane // 25th Conference on Process Integration, Modelling, and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction PRES’22, Split, September 5-8, 2022 / Split, 2022. – PRES22.0169.
7 Manabayeva A., Kaumenova G.N., Murzin D.Yu, Tungatarova S.A., Zhumabek M., Talasbayeva N.S. Dry reforming of methane on Ni-Al and Ni-Fe-Al catalysts // Proceedings of the VIII International Russia-Kazakhstan Scientific-Practical Conference, Almaty, April 28-29, 2022 / Almaty, 2022. – P. 183-185.
8 Manabayeva A.M., Kaumenova G.N., Zhumabek M., Murzin D.Yu.,Tungatarova S.A. CO2 conversion of methane in the presence of Ni-Al and Ni-Fe-Al catalysts // International Scientific and Practical Conference, Almaty, May 26, 2022 / Almaty, 2022. – P. 111-114.
9 Tungatarova S.A., Kaumenova G., Xanthopoulou G., Murzin D.Yu., Kotov S.O., Baizhumanova T.S. Hydrogen production by methane or biogas reforming on new composite materials prepared by solution combustion synthesis // 28th Organic Reactions Catalysis Society Meeting ORCS, Jacksonville, October 16-20, 2022 / Jacksonville, 2022. – P. 62.