Sposób otrzymywania nośnikowego katalizatora do syntezy amoniaku
Sposób wytwarzania katalizatora syntezy amoniaku, który polega na otrzymaniu azotków kobaltu i molibdenu na nośniku. Charakteryzuje się tym, że nośnik tlenek glinu impregnuje się wodnymi roztworami: sześciowodnym azotanem(V) kobaltu(II) oraz czterowodnym molibdenianem(VI) amonu, oba o stężeniu od 0,01 do 0,2 M. Impregnację prowadzi się pod obniżonym ciśnieniem w zakresie 100-200 mbar, przy stałym stosunku molowym kobaltu do molibdenu nCo/nMo=1, w temperaturze w zakresie 40-60°C, aż do całkowitego usunięcia wody. Po impregnacji materiał suszy się, a następnie podgrzewa w atmosferze amoniaku i poddaje procesowi aktywacji poprzez wygrzewanie w atmosferze amoniaku w temperaturze 700°C. Czas trwania procesu aktywacji wynosi 2 godziny. Następnie materiał schładza się do temperatury pokojowej w przepływie amoniaku i przepłukuje azotem. W ten sposób otrzymuje się katalizator syntezy amoniaku o sumarycznym stężeniu kobaltu i molibdenu od 3 do 90% wagowych.
Wzrost cen produktów rolnych, takich jak zboża i kukurydza, obserwowany od 1970 roku jest wg reportu Komisji Europejskiej „Fertilizer markets and their interplay with commodity and food prices” jest ściśle powiązany ze wzrostem ceny nawozów mineralnych. Otrzymywanie azotu w formie przyswajalnej dla roślin w skali światowej odbywa się metodą katalitycznej syntezy amoniaku. Na koszt produkcji amoniaku w głównej mierze wpływa cena gazu ziemnego, który jest zarówno surowcem do produkcji gazu syntezowego oraz paliwem. Szacunkowo 2/3 gazu ziemnego zużywane jest do produkcji gazu syntezowego, a 1/3 do produkcji energii. Według raportu „Global Nitrogen Fertilizer Demand and Supply”] przygotowanego przez International Fertilizer Association (IFA) w 2016r. światowe zużycie energii na produkcję nawozów w 2012 roku wyniosło około 1,2% światowej produkcji energii, z czego 90% to energia zużyta na produkcję amoniaku.
Amoniak jest również stawiany w roli potencjalnej, dominującej formy transportowanej energii odnawialnej przyszłości. Przegląd informacji na ten temat został zebrany między innymi w raporcie „Perspective Europe 2030: Technology options for CO2 emission reduction of hydrogen feedstock in ammonia production” przygotowanym przez DECHEMA. W związku z czym na tempie zyskały inicjatywy badawczo-rozwojowe dotyczące m.in. produkcji tzw. zielonego amoniaku, który wytwarza się przy użyciu wodoru pochodzącego z elektrolizy wody napędzanej odnawialnymi źródłami energii.
Zmniejszenie zużycia energii przypadającej na tonę wytwarzanego amoniaku jest niezwykle ważne dla zapewnienia bezpieczeństwa żywnościowego. Historycznie zużycie energii na tonę amoniaku wraz z opracowaniem nowej generacji katalizatora zmieniało się w następujący sposób: dla klasycznego katalizatora żelazowego 54 GJ·t-1, dla katalizatora żelazowo kobaltowego 30 GJ·t-1, a dla nośnikowego katalizatora rutenowego 27 GJ·t-1. Oferowany przez nas sposób wytwarzania nośnikowego katalizatora zawierającego azotki kobaltu i molibdenu pozwala na zmniejszenie zużycia energii potrzebnej do wyprodukowania tony amoniaku, w przeliczeniu na masę metali aktywnych w katalizatorze.
Ze względu na potencjalną możliwość obniżenia kosztów energetycznych procesu syntezy amoniaku trwają badania nad otrzymaniem nowych układów katalitycznych, które umożliwią zmniejszenie kosztu energetycznego na jednostkę produkowanego amoniaku. Pomimo wysokiej aktywności katalitycznej, praktyczne zastosowanie azotków kobaltu i molibdenu jest ograniczone w związku z ich niską powierzchnią właściwą oraz ceną kobaltu i molibdenu. Ponadto problemem technicznym znanych rozwiązań wytwarzania katalizatorów opartych na azotkach kobaltu i molibdenu są niskie parametry strukturalne, powodujące podatność na dezaktywację termiczną w przypadku katalizatorów samonośnych, oraz niski stopień dyspersji i homogeniczności faz azotków kobaltu i molibdenu w objętości nośnika. Zastosowanie oferowanej technologii pozwala na zwiększenie aktywności w syntezie amoniaku w przeliczeniu na masę metali aktywnych w porównaniu do znanych rozwiązań, a co za tym idzie do obniżenia kosztów energetycznych produkcji amoniaku. Ponadto umożliwia zwiększenie parametrów teksturalnych katalizatora, w tym jego powierzchni właściwej, oraz termostabilności.
Technologia może znaleźć zastosowanie w branży chemicznej, do produkcji amoniaku w zakładach produkujących nawozy azotowe.
Azotki kobaltu i molibdenu są bardziej aktywne w syntezie amoniaku niż komercyjnie stosowane katalizatory żelazowe. Przemysłowe stosowanie katalizatorów zawierających azotki kobaltu i molibdenu jest ograniczone przez ich słabe właściwości teksturalne (m.in. niską powierzchnie właściwą), oraz cenę surowców. Według posiadanej przez twórców wiedzy do tej pory nie został zaprezentowany prototyp katalizatora nośnikowego zawierającego azotki kobaltu i molibdenu, przetestowany w warunkach odwzorowujących przemysłowe, wykazujący wysoką aktywność w przeliczeniu na masę metali aktywnych, oraz termostabilność.
Według wiedzy autorów, doniesienia dostępne w literaturze przedmiotu dotyczą otrzymywania samonośnych katalizatorów syntezy amoniaku na bazie azotków kobaltu i molibdenu, ewentualnie zawierających promotory. Nośnikowe azotki kobaltu i molibdenu zostały przebadane szczątkowo dla procesów hydrorafinacji ropy naftowej, reakcji odwodornienia związków organicznych i rozkładu amoniaku. W literaturze światowej brakuje informacji na temat nośnikowych katalizatorów syntezy amoniaku zawierających azotki kobaltu i molibdenu. Sposób wytwarzania katalizatora syntezy amoniaku, zawierającego azotki kobaltu i molibdenu, o wysokiej aktywności, stabilności i wysokiej powierzchni właściwej, jest nowością co najmniej w skali polskiego rynku.
Prawa własności intelektualnej
Na oferowaną technologię został udzielony patent pod nazwą: „Sposób wytwarzania katalizatora syntezy amoniaku”, numer zgłoszenia P.439800, dokonanego 10.12.2021 r.
Faza rozwoju technologii
Technologia znajduje się obecnie na poziomie TRL6 - dokonano demonstracji w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Aktywność otrzymanych katalizatorów została określona w warunkach odwzorowujących z dużą wiernością warunki przemysłowe, panujące w rzeczywistym reaktorze syntezy amoniaku.