مهندسی گاز ایران

مروری بر سنتز متانول، پیشنهاد سازوکار تولید بر اساس پتانسیل تعلیق کلوئیدی و روش DFT

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسنده

استادیار، گروه علوم پایه، دانشکده نفت اهواز، دانشگاه صنعت نفت، اهواز، ایران

چکیده

متانول یکی از رایج‌ترین ترکیبات شیمیایی در صنایع پتروشیمی می‌باشد. این ترکیب به‌عنوان سوختی که از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه و دارای آلودگی کمتری است استفاده می‌شود. متانول قابلیت تبدیل به ترکیبات اتری، الفین، پلیمر، اسید استیک، وینیل استات و ... است. در این تحقیق، ابتدا روش‌های تولید گاز متان به‌عنوان ماده اولیه متانول، سپس روش‌های تولید متانول با استفاده از گاز منواکسید کربن، دی‌اکسید کربن و متان بررسی شد. سنتز متانول از متان تحت شرایط حرارتی و تابش امواج نوری انجام می‌گیرد که به دمای بالای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار بالای نیاز است. برای تعدیل شرایط واکنش از کاتالیزورهای مختلفی استفاده شد که نتایج نشان می‌دهد بهترین کاتالیزور، مشتقات فلز مس است. با استفاده از کاتالیزورهای بهینه‌شده تشکیل محصولات جانبی به حداقل رسید. همچنین با ثبت طیف پتانسیل تعلیق کلوئیدی و با کمک روش تابعیت چگالی سازوکاری برای تولید متانول پیشنهاد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Review of Methanol Synthesis, Proposal of Production Mechanism Based on Colloidal Suspension Potential and DFT Method

نویسنده [English]

  • َAsadollah Farhadi

Assistant Professor, Department of Sciences, Ahvaz Petroleum Faculty, University of Petroleum Industry, Ahvaz, Iran

چکیده [English]

Methanol is one of the most common chemical compounds in petrochemical industries. It is used as a fuel that is economical and has less pollution. Methanol can be converted into ether, olefin, polymer, acetic acid, vinyl acetate, etc. compounds. In this research, at first the methods of producing methane gas as the initial material of methanol, then the methods of producing methanol from carbon monoxide, carbon dioxide and methane were investigated. The synthesis of methanol from methane is carried out under thermal and radiation of light waves conditions. Which requires a temperature above 200 °C and high pressure. Various catalysts were used to adjust the reaction conditions, and that the best catalyst is copper metal derivatives. By using optimized catalysts, the formation of by-products were minimized. Also, by recording the potential spectrum of the colloidal suspension and using the density functional theory method, a mechanism for methanol production was proposed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Methanol
  • Methane
  • Carbon monoxide
  • Carbon dioxide
  • Colloidal suspension potential
  • Density Functional Theory
  1. ICC& oxford economics (2019)
  2. European chemical industry council (Cefic)
  3. International energy agency (2018)
  4. International energy association (IEA), (2017)
  5. روشنی ا، شایگان ج، بابایی آ، محیط‌شناسی، 62 (1391) 83-88.
  6. صالحی ک، خضرایی س. م، حسینی ف، خسروانی پور مصطفی زاده ف، علوم و تکنولوژی محیط زیست، 16(1393) 401-408.
  7. Brayan, Parra-Orobio, A. Donoso-Bravo, P. Torres-Lozada, Ing. Compet. 19 (2017) 219–227.
  8. A. Karim, B.L. Moss, Ann. Civil. Environ. Eng. 1 (2017) 34-41
  9. A.D. Santos, R.B Valença, L.C.S.D Silva, S.H.B.D Holanda, A.F.V.D. Silva, J.F.T. Jucá, A.F.M.S. Santos, J. Clean. Prod. 256 (2020) 120389-120399.
  10. P. Scott, R.J. Hemley, H. Mao, D.R. Herschbach, L.E. Fried, W.M. Howard, S. Bastea, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 101 (2004) 14023–14026.
  11. J. Krause, T.G. Townsend, Environ. Sci. Technol. Lett. 3 (2016) 166−169.
  12. Ravi, M. Ranocchiari, J.A. van Bokhoven, Angew. Chem. Int. Ed. 56 (2013) 16464–16483.
  13. J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, et.al., Gaussian, Inc., Wallingford CT, Gussian (2009).
  14. Holmen, Catal. Today, 142 (2009) 2–8.
  15. Holmen, O.A. Rokstad, A. Solbakken, Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev. 15 (1976) 439-444.
  16. Guil-López, N. Mota, J. Llorente, E. Millán, B. Pawelec, J.L.G. Fierro, R.M. Navarro, Materials 12 (2019) 3902-3926.
  17. Lance, E.G. Elworthy, French Patent, (1905) 352687.
  18. Patart, French Patent 540 (1921) 343.
  19. Capuano, DC: US Energy Information Administration (EIA), (2018) 21.
  20. R. Foit, I.C. Vinke, L.G.J. de Haart, R.A. Eichel, Angew. Chem. Int. Ed. 56 (2017) 5402–5411.
  21. M.A. Dueñas, M. Riedel, M. Riegraf, R. Costa, K.A. Friedrich, Chem. Ing. Tech. 92 (2020) 45–52.
  22. Fang, Y Men, F. Wu, Q Zhao, R. Singh, P. Xiao, T. Du, P.A. Webley, Int. J. Hydrog. Energy 44 (2019) 21913–21925.
  23. Zahedi, A. Elkamel, A. Lohi, A. Jahanmiri, M.R. Rahimpor, Chem. Eng. J. 115 (2005) 113–120.
  24. Azzolina-Jury, D. Bento, C. Henriques, F. Thibault-Starzyk, J. CO2 Util. 22 (2017) 97–109.
  25. Fornero, D. Chiavassa, A. Bonivardi, M.A. Baltanás, Catal. Today, 172 (2011) 158–165.
  26. S. Carl, A.M. Melanie, G.R. Robrt, Appl. Catal. 50 (1989) 247-263.
  27. A. Mills, F.W. Steffgen, Catal. Rev. 8 (1974) 159–210.
  28. Schulz, Appl. Catal. Gen. 186 (1999) 3–12.
  29. V. Kondratenko, G. Mul, J. Baltrusaitis, G.O. Larrazábal, J. Pérez-Ramírez, Energy Environ. Sci. 6 (2013) 3112–3135.
  30. Wang, Z. Fang, X. Huang, W. Feng, Y. Wang, B. Wang, et al. Chem. Commun. 53 (2017) 9765–9768.
  31. S. Krishna, G. Gargi, D. Debasish, Front. Microbiol. 12 (2021) 1-9.
  32. Cimon, P. Kadota, C. Eskicioglu, Bioresour. Technol. 297 (2020) 122440.
  33. Wei, G. Jinlong, Front. Chem. Sci. Eng. 5 (2011) 2–10.
  34. I. Méndez, J. Ancheyta, Chem. Eng. J. 390 (2020) 124489-124493.
  35. P. Marc, Y. Binhang, G.C. Jingguang, Energy Environ. Sci. 9 (2016) 62-73.
  36. S. Stafford, Sci. 24 (2021) 1-9.
  37. Stephanie, B. Erlend, B.S. Soren, L. Xinyan, K.E. Albert, H. Sebastian, S. Brian, E.LS Ifan, C. Karen, H. Christopher, K.N. Jens, F.J. Thomas, Ib. Chorkendorff, Chem. Rev. 119 (2019) 7610−7672.
  38. C. Theriot, C.H. Lim, H. Yang, M.D. Ryan, C.B. Musgrave, G.M. Miyake, Sci. 352 (2016) 1082−1086.
  39. M. Pearson, C.H. Lim, B.G. McCarthy, C.B. Musgrave, G.M. Miyake, J. Am. Chem. Soc. 138 (2016) 11399−11407.
  40. G. McCarthy, R.M. Pearson, C.H. Lim, S.M. Sartor, N.H. Damrauer, G.M. Miyake, J. Am. Chem. Soc. 140 (2018) 5088−5101.
  41. D. María, I. Díaz, M. Rodríguez, A. Sáiz, Int. J. Chem. React. Eng. 11 (2013) 469–477.
  42. W. Shaobin, L. GQ (Max), M. Graeme, Energy Fuels 10 (1996) 896–904.
  43. V. Sebastian, G.T. James, S. Louis, V. Jeroen,  Sci. 70 (2019) 43-88.
  44. Prapatsorn, N. Aroonsri, Front. Energy Rese. 7 (2019) 1-10.
  45. G. Jadhav, P.D. Vaidya, B.M. Bhanage, J.B. Joshi, Chem Eng Res Des. 92 (2014) 2557–2567.
  46. Rachid, B. Ouarda, C. Ouiza, T. Rene´, M.B. Mohammed, H. Smain, Reac. Kinet. Mech. Catal. 103 (2011) 391–403.
  47. M. Vanden Bussche, G.F. Froment, J. Catal. 161 (1996) 1–10
  48. M. Günter, T. Ressler, B. Bems, C. Büscher, T. Genger, O. Hinrichsen, M. Muhler, R. Schlögl, Catal. Lett. 71 (2011) 37-44.
  49. Klier, Adv. Catal. 31 (1982) 243-313.
  50. Klier K, Appl. Surf. Sci. 19 (1984) 267-289.
  51. Fujitani, I. Nakamura, T. Uchijima, J. Nakamura, Surf. Sci. 383 (1997) 285-298.
  52. Zhu, X. Kong, S. Zhu, F. Dong, H. Zheng, Y. Zhu, Y.W. Li, Appl. Catal., B, 551 (2015) 166−167.
  53. Binglian, M. Junguo, S. Xiong, Y. Chongya, D. Hongmin, Z. Huanwen, D. Shaoliang, L. Lin, H. Yanqiang, Ind. Eng. Chem. Res. 58 (2019) 9030−9037.
  54. Sepúlveda, C. Márquez, I. Rodríguez-Ramos, A. Guerrero-Ruíz, J.L.G. Fierro, Surf. Interface Anal. 20 (1993) 1067.
  55. L. Dai, Q. Sun, J.F. Deng, D Wu, Y.H. Sun, Appl. Surf. Sci. 177 (2001) 172-179.
  56. Prins, J. Catal. 392 (2020) 336-346.
  57. S. Spencer, Top.Catal. 8 (1999) 259–266
  58. C. Chinchen, K.C. Waugh, D.A. Whan, Appl. Catal. 25 (1986) 101-107
  59. Wilmer, T. Genger, O. Hinrichsen, J. Catal. 215 (2003) 188–198
  60. W. Jun, W-J. Shen, K.S.R. Rao, K-W. Lee, Appl. Catal. A: Gen. 174 (1998) 231-238.
  61. Denise, R.P.A. Sneeden, Appl. Catal. 28 (1986) 235-239.
  62. Tagawa, G. Pleizier, Y. Amenomiyac, Appl. Catal. 18 (1985) 285-293.
  63. Xu, Z. Qian, L. Mao, K. Tanabe, Bull. Chem. Soc. Jpn. 64 (1991) 1658-1663.
  64. Inoue, T. Iizuka, K. Tanabe, Bull. Chem. Soc. Jpn. 60(1987) 2663-2667.
  65. R.A.M. Robinson, J.C. Mol, Appl. Catal. 63 (1990) 165-179.
  66. Kotera, M. Oba, K. Ogawa, K. Shimomura, H. Uchida, J. Catal. 53 (1976) 489-597.
  67. Klier, Adv. Catal, 31 (1982) 243-312.
  68. A. Mcneil, C.J. Schack, R.G. Rinker, Appl. Catal. 50 (1989) 265-285.
  69. Mittasch, M. Pier, K. Winkler, A.G. BASF, German Patent 415 (1925) 686.
  70. Mittasch, M. Pier, A.G. BASF, US Patent Application,1 (1926) 1569775A.
  71. M. Newitt, A.E. Haffner, Proc. R. Soc. Lond. Series A. 134 (1932) 591–604.
  72. A. Bone, J.B. Gardner, Proc. R. Soc. 150 (1935) 297-328.
  73. G.W. Norrish, S.G. Foord, Proc. R. Soc. A. 157 (1936) 503 –525.
  74. J. Wiezevich, P.K. Frolich, Ind. Eng. Chem. 26 (1934) 268 –276.
  75. Błasiak, Polish Patent (1947) 34.
  76. H. Boomer, S.N. Naldrett, Can. J. Res. 25 (1947) 494–501.
  77. I. Atroshchenko, Z.M. Shchedrinskaya, N.A. Gavrya, J. Appl. Chem. 38 (1965) 643–649.
  78. A. Dowden, G.T. Walker, Brit. Pat. (1971) 1244001.
  79. J.F. Stroud, Brit. Pat., 1 (1975) 398,385.
  80. W. Falconer, D.E. Hoare, R. Overend, Commun. Flame. 21 (1973) 339-344.
  81. Martir, J.H. Lunsford, J. Am. Chem. Soc. 103 (1981) 3728-3732.
  82. L Kaliaguire, B.N. Shelimov, V.B. Kazanskii, J. Catal. 55 (1978) 384-393.
  83. S. Liu, M. Iwamoto, J.H. Lunsford, J. Chem. Soc. Chem. Commun. (1982) 78-79.
  84. F. Liu, R.S. Liu, K.Y. Liew, R.E. Johnson, J.H. Lunsford, J. Am. Chem. Soc. 106 (1984) 4117–4121.
  85. S. Liu, M. Iwamoto, J.H. Lunsford, J. Chem. Soc. Chem. Commun. (1982) 78–79.
  86. R. Foster, Appl. Catal. 19 (1985) 1–11.
  87. G. Bergman, Nature, 446 (2007 391–393.
  88. L. Conley, W.J. Tenn, K.J.H. Young, S.K. Ganesh, S.K. Meier, V.R. Ziatdinov, O. Mironov, J. Oxgaard, J. Gonzales, W.A. Goddard, R.A. Periana, J. Mol. Catal. A: Chem. 251 (2006) 8–23.
  89. A. Periana, D.J. Taube, E.R. Evitt, D.G. Loffler, P.R. Wentrcek, G. Voss, T. Masuda, Science, 259 (1993) 340-343.
  90. E. Shilov, G.B. Shul’pin, Chem. Rev. 97 (1997) 2879–2932.
  91. Waterman, Organometallics, 32 (2013) 7249–7263.
  92. Ravi, M. Ranocchiari, J.A. van Bokhoven, Angew. Chem. 56 (2017) 16464–16483.
  93. A. Periana, D.J. Taube, E.R. Evitt, D.G. Loffler, P.R. Wentrcek, G. Voss, T. Masuda, Science 259 (1993) 340 –343.
  94. Hammond, M.M. Forde, M.H.A. Rahim, A. Thetford, HeQ, R.L. Jenkins, N. Dimitratos, J.A. Lopez-Sanchez, N.F. Dummer, D.M. Murphy, A.F. Carley, S.H. Taylor, D.J. Willock, E.E. Stangland, J. Kang, H. Hagen, C.J. Kiely, G.J. Hutchings, Angew. Chem. 51(2012) 5129–5133.
  95. Xu, R.D. Armstrong, G. Shaw, N.F. Dummer, S.J. Freakley, S.H. Taylor, G.J. Hutchings, Catal. Today, 270 (2016) 93–100.
  96. Narsimhan, K. Iyoki, K. Dinh, Y. Román-Leshkov, ACS Central Sci. 2 (2016) 424–429.
  97. Yamashita, A. Shiga, S. Kawasaki, Y. Ichihashi, S. Ehara, M. Anpo, Energy Convers. Manag. 36 (1995) 617-620.
  98. Zakaria, S.K. Kamarudin, Renew. Sust. Energ. Rev. 65 (2016) 250-261.
  99. Sastre, V. Fornés, A. Corma, H. García, Chem. Eur. J. 18 (2012) 1820-1825.
  100. Arif Sher Shah Md, C. Oh, H. Park, Y.J. Hwang, M. Ma, J.H. Park, Adv. Sci. 7 (2020) 2001946-2001970.
  101. Fan, W. Zhou, X. Qiu, H. Li, Y. Jiang, Z. Sun, D. Han, L. Niu, Z. Tang, Nat. Sustain. 4 (2021) 509–515.
  102. E. Taylor, R.P. Noceti, Catal. Today, 55 (2000) 259–267.
  103. J. Wulfers, S. Teketel, B. Ipek, R. Lobo, Chem. Commun. 51 (2015) 4447−4450.
  104. Narsimhan, V.K. Michaelis, G. Mathies, W.R. Gunther, R.G. Griffin, Y. Román-Leshkov, J. Am. Chem. Soc. 137 (2015) 1825−1832.
  105. Xu, R.D. Armstrong, G. Shaw, N.F. Dummer, S.J. Freakley, S.H. Taylor, G.J. Hutchings, Catal. Today, 270 (2016) 93-100.
  106. R. Kulkarni, Z-J. Zhao, S. Siahrostami, J.K. Norskov, F. Studt, ACS Catal. (2017) 1-24
  107. K. Krisnandi, D.A. Nurani, D.V. Alfian, U Sofyani, M Faisal, I.R. Saragi, A.Z. Pamungkas, A.P. Pratama, Heliyon, 7 (2021) e08305-e08312.
  108. Zeng, L. Li, T. Shimizu, H.J. Kim, J. Energy Eng. 146 (2020) 4020061-4020065.
  109. Mirhosseini, M.R. Mirani, M. Hamidzadeh, R. Davarnejad, A. Taeb, Adv. Environ. Technol. 1 (2017) 53-58.
  110. Luo, J. Luo, H. Li, F. Ren, Y. Zhang, A. Liu, W-X. Li, J. Zeng, Nat. Commun. 12 (2021) 1218-1228.
  111. K. Pappas, E. Borfecchia, M. Dyballa, K.A. Lomachenko, A. Martini, G. Berlier, B. Arstad, C. Lamberti, S. Bordiga, U. Olsbye, S. Svelle, P. Beato, Chem. Catal. Chem. 11 (2019) 621–627.
  112. Burnett, M. Rysakova, K. Wang, J. González-Carballo, R.P. Tooze, F.R. García-García, Appl. Catal. A-Gen. 587 (2019) 117272-117282.
  113. Yi, S. Li, Z. Cui, Y. Hao, Y. Zhang, L. Wang, P. Liu, X. Tu, X. Xu, H. Guo, A. Bogaerts Appl. Catal. B: Environ. 296 (2021) 120384-120395.
  114. Ferri, M Elsener, O. Kröcher, Appl. Catal. B: Environ. 220 (2018) 67–77.
مهندسی گاز ایران
دوره 10، شماره 1 - شماره پیاپی 17
مرداد 1402
صفحه 8-27
  • تاریخ دریافت: 23 اسفند 1401
  • تاریخ بازنگری: 03 اردیبهشت 1402
  • تاریخ پذیرش: 29 تیر 1402