19
Th9
Điều chế Methanol trực tiếp từ khí Metan
Mục lục
Methanol lỏng được sử dụng rộng rãi. Nó dùng làm nguyên liệu cho các hóa chất khác. Và cũng có tiềm năng đáng kể như một nguồn nhiên liệu thay thế. Tuy nhiên, chuyển đổi metan – thành phần chính của khí thiên nhiên phong phú – thành methanol hiện nay đạt được bằng một quá trình gián tiếp đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao. Một nghiên cứu mới giúp điều chế methanol trực tiếp từ metan.
Tổng quan về methanol
Methanol được sử dụng rộng rãi như một hoá chất hữu cơ cơ bản trong nhiều lĩnh vực
khác nhau. Hiện nay, nó là một trong các nguyên liệu tạo ra nhiên liệu sạch, nhiên liệu
sinh học của thế kỷ 21.
Trong công nghiệp hóa chất, methanol là nguyên liệu cơ bản để sản xuất
formandehyde, axit axetic, sản xuất sơn tổng hợp, chất dẻo, làm dung môi v.v.
Khoảng hai chục năm trở lại đây, ngành công nghiệp hóa dầu còn phát triển sản phẩm
metyl ter – butyl ete (MTBE) từ metanol làm phụ gia thay cho hợp chất chì rất độc hại để sản xuất xăng động cơ chất lượng cao (Mogas 95, Mogas 98) và phát triển sử dụng nhiên liệu dieden sinh học (biodieden) đi từ metyl este dầu mỡ động thực vật.
Vì thế, nhu cầu sử dụng methanol ngày càng tăng.Công nghệ sản xuất methanol luôn được hoàn thiện và hợp lý hóa. Nguồn nguyên liệu được mở rộng tới cả việc sử dụng nguồn khí cacbonic trong thiên nhiên, phế liệu nông lâm sản (biomass).Nước ta hiện nay chưa có nhà máy sản xuất methanol mặc dù có sẵn nguồn nguyên liệu như dầu mỏ, than đá, sinh khối (biomass).
Nhu cầu methanol ở Việt Nam cũng ngày càng tăng. Hằng năm, VN phải nhập lượng đáng kể methanol để phục vụ các mục đích khác nhau, trong đó chủ yếu mới chỉ để làm dung môi. Việc nhập khẩu methanol không kinh tế so với sản xuất tại chỗ. Do đó, nghiên cứu và triển khai công nghệ sản xuất methanol ở việt nam là cấp thiết và phù hợp vời nhiệm vụ phát triển công nghệ hóa chất – hóa dầu.
Các tính chất
1. Sơ lược về methanol
Methanol (methyl alcohol) CH3OH (viết tắt MeOH) là một chất lỏng hay là một loại cồn. Khối lượng phân tử 32.042. Methanol là một hợp chất hữu cơ, không màu, dễ bay hơi, dễ cháy…. Ở nhiệt độ thường với mùi alcohol nhẹ đặc trưng.
Đầu những năm 1913, methanol đã được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp từ
CO và H2.
Hiện nay, methanol được sản xuất nhiều hơn trên thế giới bằng phương pháp tổng
hợp áp suất thấp.
Methanol thương mại đôi khi xem như là methanol tổng hợp bởi vì nó được sản xuất từ tổng hợp khí, một hỗn hợp của hydrogen và carbon.
oxide (H2 và CO).
2. Tính chất vật lý
Methanol là chất lỏng không màu, trung tính, có tính phân cực, tan trong nước,
benzene, rượu, este và hầu hết các dung môi hữu cơ. Methanol có khả năng hòa tan nhiều loại nhựa, ít tan trong các loại chất béo, dầu. Do có tính phân cực nên tan được trong một số chất hữu cơ.
Methanol dễ tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí (7-34 %).
3. Tính chất hóa học
Methanol là hợp chất đơn giản đầu tiên trong dãy đồng đẳng các rượu no đơn chức.
Hóa tính của nó được quyết định bởi nhóm –OH. Các quá trình phản ứng của methanol đi theo hướng cắt đứt liên kết C-O hoặc nhóm OH và được đặc trưng bởi sự thay thế nguyên tử H hay nhóm OH trong phân tử.
Một số phản ứng đặc trưng:
Phản ứng hydro hóa
CH3OH + H2 –> CH4 + H2
Phản ứng tách nước
CH3OH + H2 –> CH4 + H2O
Phản ứng oxy hóa
Khi oxy hóa methanol trên xúc tác kim loại (Ag, Pt, Cu, O2) hay xúc tác oxide hoặc
hỗn hợp các oxide (Fe-Mo, Ti-Mo) trong điều kiện thích hợp thu được fomandehyde và
các sản phẩm phụ.
Điều chế methanol từ metan
Trong công nghiệp hóa chất, khí metan đang được chuyển đổi gián tiếp thành metanol thông qua việc sản xuất khí tổng hợp (carbon monoxide và hydro) ở nhiệt độ và áp suất cao. Đây là một quá trình tốn kém và tiêu hao nhiều năng lượng. Các quy trình có triển vọng nhất hiện nay để chuyển đổi metan thành methanol lại thường phức tạp, không hiệu quả và đòi hỏi nhiệt độ cao, môi trường phản ứng khắc nghiệt.
Phát minh chuyển đổi trực tiếp metan thành metanol
Một nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để chuyển đổi trực tiếp metan thành metanol bằng cách sử dụng oxi phân tử ở các điều kiện phản ứng nhẹ nhàng hơn nhiều.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các hạt nano vàng – palađi (Au-Pd) dạng keo để oxi hóa trực tiếp metan thành metanol. với độ chọn lọc cao trong dung dịch nước ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu này cho thấy, nếu tạo ra được nguồn cung các gốc metyl ổn định – chẳng hạn bằng cách đưa một lượng rất nhỏ H2O2 vào hỗn hợp phản ứng – thì quá trình oxi hóa chọn lọc metan thành metanol bằng cách sử dụng oxi phân tử là hoàn toàn khả thi.
Các nhà nghiên cứu cho biết, họ đã rất ngạc nhiên khi thấy rằng, để tiến hành phản ứng đặc biệt này họ phải duy trì các hạt Au-Pd ở dạng keo nổi tự do trong dung dịch H2O2 rất yếu, sau đó đưa khí metan và oxi đã nén vào dung dịch. Thông thường, khi các hạt nano Au-Pd được sử dụng làm chất xúc tác, chúng hầu như luôn được cho phân tán trên các lớp nền oxit có diện tích bề mặt lớn như titan oxit. Tuy nhiên, trong trường hợp này sự hiện diện của lớp nền gốm như vậy lại tỏ ra là không có lợi.
Theo LeHight University
Một số tính chất của Methan (CH4)
Metan với công thức hóa học là CH4, là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng đẳng
ankan. Metan là hydrocacbon đơn giản nhất. Ở điều kiện tiêu chuẩn, metan là chất khí
không màu, không vị. Nó hóa lỏng ở -162ºC, hóa rắn ở -183ºC, và rất dễ cháy. Một mét
khối metan ở áp suất thường có khối lượng 717 g.
Metan nguyên chất không mùi, nhưng khi được dùng trong công nghiệp, nó thường
được trộn với một lượng nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh như etylmecaptan để dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ.
Metan là thành phần chính của khí tự nhiên, khí dầu mỏ, khí bùn ao, đầm lầy. Nó
được tạo ra trong quá trình chế biến dầu mỏ, chưng cất khí than đá. Metan có nhiều ứng dụng, chủ yếu dùng làm nhiên liệu. Đốt cháy 1 mol metan có mặt oxy sinh ra 1 mol CO2 (cacbondioxit) và 2 mol H2O (nước):
CH4 + 2O2 –> CO2 + 2H2O
Metan là một khí gây hiệu ứng nhà kính, trung bình cứ 100 năm mỗi kg metan làm
ấm Trái Đất gấp 23 lần 1 kg CO2
Ứng dụng
Nhiên liệu
Metan là một nhiên liệu quan trọng. So với than đá, đốt cháy metan sinh ra ít CO2 trên
mỗi đơn vị nhiệt giải phóng. Ở nhiều nơi, metan được dẫn tới từng nhà nhằm mục đích
sưởi ấm và nấu ăn. Nó thường được biết đến với cái tên khí thiên nhiên.
Trong công nghiệp
Metan được dùng trong nhiều phản ứng hóa công nghiệp và có thể được chuyên chở
dưới dạng khí hóa lỏng. Trong hóa công nghiệp, metan là nguyên liệu sản xuất hydro,
axit axetic và anhydrite axetic. Và đặc biệt là ứng dụng điều chế methanol,
Metan trong khí quyển Trái Đất
Metan trong khí quyển là một khí gây hiệu ứng nhà kính. Mật độ của nó đã tăng
khoảng 150% từ năm 1750 và đến năm 1998, mật độ trung bình của nó trên bề mặt Trái Đất là 1745 ppb. Mật độ ở bán cầu Bắc cao hơn vì ở đó có nhiều nguồn metan hơn (cả thiên nhiên lẫn nhân tạo). Mật độ của metan thay đổi theo mùa, thấp nhất vào cuối mùa hè.
Sự giải phóng đột ngột của khí metan
Ở áp suất lớn, như ở dưới đáy đại dương, metan tạo ra một dạng rắn với
nước. Được gọi là metan hydrat. Một số lượng chưa xác định nhưng có lẽ là rất nhiều
metan bị giữ lại dưới dạng này ở đáy biển. sự giải phóng đột ngột của một thể tích lớn
metan từ những nơi đó vào khí quyển là một giả thiết về nguyên nhân dẫn tới những hiện tượng Trái Đất nóng lên trong quá khứ xa, đỉnh cao là khoảng 55 triệu năm trước.
Một tổ chức đã ước tính trữ lượng quặng metan hydrat dưới đáy đại dương vào
khoảng 10 triệu tấn. Giả thuyết rằng nếu Trái Đất nóng lên đến một nhiệt độ nhất định,
toàn bộ lượng metan này có thể một lần nữa bị giải phóng đột ngột vào khí quyển, khuếch đại hiệu ứng nhà kính lên nhiều lần và làm trái đất nóng lên đến mức chưa từng thấy.
Ảnh hưởng đến sức khỏe
Metan hoàn toàn không độc. Nguy hiểm đối với sức khỏe là nó có thể gây bỏng nhiệt.
Nó dễ cháy và có thể tác dụng với không khí tạo ra sản phẩm dễ cháy nổ. Metan rất hoạt động đối với các chất oxi hóa, halogen và một vài hợp chất của halogen. Metan là một chất gây ngạt và có thể thay thế oxy trong điều kiện bình thường. Ngạt hơi có thể xảy ra nếu mật độ oxy hạ xuống dưới 18%.
