Den Sabatier reaksjon , eller Sabatier prosess , er en kjemisk reaksjon , oppdaget i 1897 av den franske kjemikere Paul Sabatier og Jean-Baptiste Senderens , noe som gjør det mulig å fremstille CH 4- metan.og vann H 2 Ofra karbondioksid CO 2og hydrogen H 2for høy temperatur og trykk - helst fra 300 til 400- ° C . Denne prosessen kalles også hydrogenering av CO 2 til metan eller metanering av CO 2. Reaksjonen er eksoterm og den støkiometriske omdannelsen av karbondioksid frigjør 164 kilojoules per mol .
∆ H = −165,0 kJ / mol. (ligning 1)Metaneringen av karbondioksid tillater kjemisk lagring av elektrisitet i tilfelle der det tilførte hydrogenet produseres ved elektrolyse (PtG - Power-to-Gas )
Metaneringen av CO 2 (ligning 1) er en lineær kombinasjon av metaneringen av karbonmonoksid CO (ligning 2) og omvendt reaksjon av gass til vann (ligning 3).
Mekanismen for denne reaksjonen er ikke fullstendig forstått, og det er uklart om metaneringen av karbondioksid begynner med adsorpsjonsassosiativet til et adatom av hydrogen for å danne mellomoksygenert før hydrogenering eller ved en dissosiasjon som gir karbonyl før hydrogenering.
CO + 3 H 2⟶ CH 4+ H 2 O ; ∆ H = - 206 kJ / mol . (ligning 2) CO 2 + H 2 ↔ CO + H 2 O; ∆ H = 41 kJ / mol. (ligning 3)Summen av disse to reaksjonene gir Sabatier-reaksjonen så vel som verdien av reaksjonsentalpi:
CO 2 + 4 H 2⟶ CH 4+ 2 H 2 O ; ∆ H = - 165 kJ / mol . (ligning 1)Det antas at karbonyl-metanisering innebærer en dissosiativ mekanisme hvor karbon - oksygen- bindingen er brutt før hydrogenering av en assosiativ mekanisme kun observert ved høy hydrogenkonsentrasjon. Flere metallkatalysatorer har blitt studert i detalj, spesielt basert på nikkel , ruthenium og rodium for produksjon av metan fra syntesegass og andre anvendelser for å omdanne energi til gass; nikkel er fortsatt det mest brukte på grunn av høy selektivitet og lave kostnader. Støttens natur spiller en viktig rolle i samspillet mellom nikkel og bærer, og bestemmer dermed den katalytiske aktiviteten og selektiviteten for metanering av CO 2 . En typisk kommersiell støtte for prosessen er aluminiumoksyd Al 2 O 3
Den metanisering av karbonoksider er et viktig trinn i produksjonen av syntetisk naturgass (i) eller substitusjon (GNS). Fremgangsmåten omfatter forgassing av kull eller tre for oppnåelse av metan ved enkel rensing av gasser - hovedsakelig karbonmonoksid CO og hydrogen H 2 - etter metanasjonen deres.
Det første kommersielle anlegget som produserte syntetisk naturgass ble innviet i 1984 av Dakota Gasification Company (in) til Beulah i North Dakota ; 30 år senere var den fremdeles i drift og produserte tilsvarende 1500 MW syntetisk naturgass fra kull og karbonholdige materialer. Andre fasiliteter har siden blitt åpnet med andre kullkilder, som flis .
Den CO og CO toer gifter for de fleste katalysatorer som anvendes for fremstilling av ammoniakk NH 3, slik at metaneringskatalysatorer tilsettes etter flere stadier av hydrogenproduksjon for å forhindre opphopning av CO og CO 2i ammoniakk-synteseenheter, fordi metan har en betydelig mindre effekt enn karbonoksider på hastigheten av ammoniakkproduksjon.
Oksygenprodusentene til den internasjonale romstasjonen produserer oksygen O 2ved elektrolyse av vann H 2 OSom frigir hydrogen H 2. Deretter omdanner pusten til astronauter dette oksygenet til karbondioksid CO 2. Hydrogen og karbondioksid er vanligvis avfall som slippes ut i rommet, noe som forårsaker betydelig vanntap og ikke er en levedyktig løsning for lange oppdrag. Sabatier-reaksjonen tillater, ved å tilveiebringe ekstra hydrogen, å regenerere vann fra karbondioksid og hydrogen produsert ved å puste av astronauter og ved elektrolyse av vann, beregnet på å produsere oksygen. Det ville være mulig å slutte kretsløpet enda mer ved å utvinne hydrogen som inneholdes i den metan, for eksempel ved pyrolyse , som kan være fullstendig og produsere kjønrøk mens frigjøring av alt hydrogen, eller ellers ufullstendig og produserer acetylen. C 2 H 2 ved å bare slippe 75% av hydrogenet, må resten hentes utenfra for å levere syklusen:
CH 4⟶ C + 2 H 2 ; 2 CH 4⟶ C 2 H 2+ 3 H 2.Den reaksjon Bosch tilbyr også et alternativ studert av NASA :
CO 2+ 2 H 2⟶ C + 2 H 2 Otil 600 ° C .Denne reaksjonen vil gjøre det mulig å overleve i en lukket krets, men krever en temperatur på 600 ° C , vanskelig å opprettholde i et romfartøy, og genererer karbon som har en tendens til å endre overflaten av katalysatoren ved koksing , noe som gjør den effektive implementeringen vanskelig i rommet.
Sabatier-reaksjonen er blitt foreslått som et sentralt element i å redusere kostnadene for bemannede oppdrag til Mars , som Mars Direct og det interplanetære transportsystemet , ved å stole på bruk av in situ ressurser ( ISRU ). Dette er for å bruke karbondioksid fra atmosfæren på Mars , sistnevnte består av mer enn 95% CO 2, For å produsere metan CH 4, brukt som drivstoff , og vann H 2 ODe sistnevnte er i sin tur elektrolysert for å produsere oksygen O to, Brukt som et oksidasjonsmiddel , og hydrogen H 2, Resirkuleres til metanreduksjon ved begynnelsen av syklusen. Hydrogenet som trengs for å starte syklusen, kan bringes inn fra jorden eller produseres direkte på stedet ved elektrolyse av marsvann .
Det er mulig å kombinere Sabatier- reaksjonen med omvendt vanngassreaksjon ( RWGS ) i en enkelt reaktor for direkte å bruke karbondioksid fra Mars-atmosfæren og vann fra jorda eller jordatmosfæren til Mars for å produsere metan. En prototyp av en slik reaktor ble fremstilt i 2011 og drives autonomt i fem dager produsere 1 kg av metan / oksygen- drivmiddel per dag fra CO 2ekstrahert fra en rekonstituert mars atmosfære og med et utbytte nær 100%. En optimalisert 50 kg versjon av denne type reaktor "skal produsere 1 kg / dag av O- 2- drivmiddel./ CH 4(...) med en metan renhet på 98% og med inntak av 700 W av elektrisk strøm . Konverteringsfrekvensen for en optimalisert enhet av denne typen vil være ett tonn drivstoff i 17 MWh .
Det støkiometriske blandingsforholdet mellom oksidant og reduksjonsmiddel er 2: 1 når det gjelder oksygen / metandrivmiddel:
CH 4+ 2 O 2⟶ CO 2+ 2 H 2 O.Imidlertid produserer en Sabatier-reaktor oksygen og metan i forholdet 1: 1; den omvendte reaksjonen av gass mot vann kan da gi det manglende oksygenet, i form av vann som skal elektrolyseres:
CO 2+ H 2⟶ CO + H 2 O.Denne prosessen gjør det også mulig å lagre overskuddsenergi fra sol- eller vindkraft i form av metan. En konkret prestasjon eksisterer (siden 2011) i Tyskland , Morbach Energy Park .