Переработка углекислого газа в плазме сверхвысокочастотного разряда
Сотрудники Института прикладной физики РАН впервые реализовали уникальный способ утилизации углекислого газа. Особенность новой технологии в том, что разложение молекул СО₂ происходит в неравновесной плазме разряда, создаваемого и поддерживаемого сверхвысокочастотным излучением мощного гиротрона. При этом степень разложения углекислого газа в экспериментах составила более 30% при энергоэффективности процесса на уровне 10%, что превосходит лучшие мировые достижения. Полученные результаты опубликованы в журнале Journal of CO₂ Utilization.
Запрос на поиск технологий утилизации CO₂ связан с тем, что в течение последних десятилетий концентрация одного из основных парниковых газов в атмосфере Земли постоянно увеличивается со скоростью 2-3 миллионных доли в год, что в несколько раз превышает уровни доиндустриальной эпохи. Столь высокие темпы роста неизбежно повлекут за собой необратимые изменения климата из-за повышения глобальной температуры. Проблема утилизации газа заключается в том, что молекула СО₂ очень стабильна и для разрыва прочной связи атомов углерода с атомами кислорода требуется много энергии. Разрушить молекулу можно с помощью нагрева газа до очень высоких температур (примерно 3000 К и выше), однако в процессе получения необходимого для нагрева количества энергии выделится большой объем СО₂. Кроме того, из-за высокой температуры газа может возникнуть обратная реакция, когда получившийся монооксид углерода (СО) и кислород (О₂) снова образуют углекислый газ. Поэтому такой способ разрушения молекул CO₂ неэффективен.
Перспективной технологией утилизации углекислого газа является разложение молекул CO₂ в неравновесной плазме сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда, в которой распад молекул осуществляется за счет энергии электронов. Этот механизм позволяет проводить процесс разложения при низких температурах газа, что энергетически выгоднее по сравнению с термической диссоциацией в равновесных условиях (когда газ и электроны нагреваются до одинаковой температуры). Достигать необходимых параметров плазмы позволяют разработанные в ИПФ РАН технологические гиротроны – источники электромагнитного излучения высокой мощности сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.
Разложение углекислого газа происходило под воздействием сфокусированного непрерывного микроволнового излучения гиротрона с частотой 24 ГГц и мощностью до 5 кВт. Эксперименты проводились как в потоке чистого CO₂, так и смеси CO₂ с аргоном при атмосферном давлении. Авторами было показано, что создаваемая в результате СВЧ нагрева неравновесная плазма с температурой электронов не менее 4000‒8000 К и температурой газа на уровне 2000‒3500 К, позволяет реализовать процессы разложения СО₂ при атмосферном давлении. Это значит, что для успешного проведения экспериментов не потребуется создавать пониженное давление с помощью дорогостоящего вакуумного оборудования. Именно поэтому технология утилизации углекислого газа, предложенная сотрудниками ИПФ РАН, может быть наиболее привлекательной для реального использования в рамках решения проблем защиты окружающей среды и сокращения выбросов CO₂.
D. Mansfeld, S. Sintsov, N. Chekmarev, A. Vodopyanov, Conversion of carbon dioxide in microwave plasma torch sustained by gyrotron radiation at frequency of 24 GHz at atmospheric pressure, J. CO₂ Util. 40 (2020) 101197. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2020.101197 (Impact Factor 5.189)