温室气体减排有望，MIT 科学家找到处理油井天然气的新方法

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甲烷是地球上一种储量较高的气体，可燃烧，所以也被视为一种潜在的燃料，但收集并储存自然界中的甲烷却是一个一直困扰科学界的难题。近日，MIT 的科学家发明出了一种更加简便的收集天然气的方法，并能将它进一步用作燃料或者化学给料。

 

目前世界上大量的油井通过燃烧处理天然气的主要组成部分——甲烷，这个过程每年都会在浪费高达 1500 亿立方米的甲烷的同时生成 4 亿吨的二氧化碳。正因为如此，由这个过程生成的温室气体对全球变暖做出了巨大的“贡献”。然而如果不燃烧泄露的甲烷会有更严重的后果：由于甲烷是比二氧化碳危害更大的温室气体，将油井中的天然气不经燃烧直接释放到大气中会造成更严重的温室效应。

矛盾的是，当今社会一直称甲烷为人类从化石燃料向更先进燃料进军的“桥梁”，甲烷也被称为页岩气革命的核心。既然甲烷的地位如此重要，为什么每年都有如此大量的甲烷白白浪费呢？答案就是：甲烷能否被回收利用取决于油井的地点。

 

大量泄露甲烷的地点通常是用于生产石油的油井，而甲烷在开采石油的过程中只是一个副产品。如果条件允许的话，这些甲烷会用来发电或生成其他的化学产物。困难在于，对甲烷加压冷却需要特殊的设备，并且需要加压容器或输送管转移它们。而且对于建在海上的油井来说，如此远距离的输送并不能带来可观的经济效益。

来自 MIT 的化学教授 Yogesh Surendranath 和他的同事们找到了解决这个问题的方法：他们将甲烷通电，使其生成甲醇的衍生物。甲醇的衍生物可以被制成汽车燃料或作为其他化工产品的前物。这种处理甲烷的新方式能够降低远程运输的成本。《ACS Central Science》期刊中提到，这项发现避免了甲烷的浪费并将大量的甲烷应用到工业生产当中。北卡罗来纳大学的化学教授 Jillian Dempsey 对这项研究做出评价：“这个发现打开了化学界转化利用甲烷气体的大门。”

 

图丨麻省理工学院化学教授 Yogesh Surendranath

目前将甲烷转换成液态半成品的过程需要高温环境和高成本的反应容器。而这种通电的办法能在低温环境下持续补充反应所需的催化剂，提高反应速率。Surendranath 表示，“这种新科技能在现有油井设施上降低转化成本。”新反应系统的电能主要来自于基地附近的风力发电站或太阳能板。这一系列电化学反应在工业上也可以被称为官能化反应，“只不过这个反应是远程进行的”，Surendranath 补充道。

就像上文提及的，Surendranath 也认为“甲烷确实是很重要的过渡燃料，然而让如此有价值的燃料白白流失真的很令人震惊。”所以说，我们浪费的甲烷到底有多少呢？从卫星图像来看，处于北达科他州的油井在夜晚由于甲烷燃烧而发出的光将周围照的像大都市一样灯火通明。据世界银行的估计，全世界甲烷流失量大概是美国天然气消耗的五分之一。

 

Surendranath 认为，燃烧甲烷的确可以减少温室气体对大气的危害，但是“与此同时人们却浪费的大量的能量”。几十年来，寻找高效利用甲烷气体的方法一直困扰着科学界。将甲烷转化为其他有机物的困难在于，甲烷分子中的碳氢键极难断裂，并且反应很容易反应过度导致它并不能生成理想的产出物。对催化剂的研究也进行了许多年，但是由于对催化剂严格的要求（控制反应速率），一直没有找到理想的化学物质。

总体来说，这项研究的关键是将电能作为反应的驱动力，对反应做出精准的调整，快速并持续不断的生成催化剂，进而控制反应速率。Surendranath 表示，“正由于我们将电能作为反应的驱动力，我们可以将这个过程进行的更快，刚简单，并且更有选择性。这项研究的另一个贡献是我们可以发明更多新的催化剂，因为我们用了一种全新的方法去生成它。”

 

这个反应的生成物是两种液态化学物质：硫酸甲酯和甲磺酸。其能进一步反应生成甲醇，一种可以用于燃料、塑料制造和药剂的半成品。除了这项反应之外，我们需要额外的流程来保存甲醇。在这项研究正式投入工厂之前，这个问题需要被完美解决。研究者们也在逐步完善这项研究，着手处理技术上的障碍。

Dempsey 对这项研究做出了评价，“这是一项意义重大的发现，通过有选择性催化剂的官能化反应将甲烷反应生成甲醇衍生物，将有助于将研究成果更快的投入到工业生产技术中。”

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编辑：郝芳源

参考：http://news.mit.edu/2017/new-way-harness-wasted-methane-1017

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