चीन का लौह उत्प्रेरक कोयले और बायोमास से बनी सिनगैस से अधिक स्वच्छ ओलेफिन बनाने का वादा करता है

सिनगैस से रोजमर्रा की सामग्रियों तक का नया रास्ता

चीनी शोधकर्ताओं ने लौह-आधारित नैनोकण उत्प्रेरक पेश किया है, जो कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन के मिश्रण, जिसे सिनगैस कहा जाता है, को सीधे ओलेफिन में बदलता है। ओलेफिन अनेक प्लास्टिक और सिंथेटिक रबर का आधार हैं। टीम का कहना है कि इसकी दक्षता मौजूदा तरीकों से कहीं अधिक है, प्रतिक्रिया में हाइड्रोजन का बेहतर उपयोग होता है और प्रक्रिया के चरण कम हैं। यह काम पेट्रोलियम-आधारित कच्चे माल पर निर्भर हुए बिना कोयले, बायोमास या सिनगैस के अन्य स्रोतों से रसायन बनाने का नया रास्ता देता है।

एथिलीन और प्रोपिलीन जैसे ओलेफिन पैकेजिंग, कार के पुर्जों, कपड़ों के रेशों, डिटर्जेंट, सॉल्वेंट और चिपकाने वाले पदार्थों के मूल घटक हैं। आज इन्हें मुख्यतः पेट्रोलियम को तेज गर्मी से क्रैक करके या उत्प्रेरकों की मदद से मेथनॉल को बदलकर बनाया जाता है। दोनों तरीकों में बहुत ऊर्जा लगती है और कार्बन डाइऑक्साइड समेत अपशिष्ट निकलता है। नया उत्प्रेरक एक ही कण के भीतर दो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को जोड़ता है। इससे संयुक्त प्रभाव प्रदर्शन बढ़ाता है और अवांछित उप-उत्पाद घटाता है।

समीक्षित शोध-पत्र में प्रकाशित परीक्षणों में, सोडियम से संशोधित लौह कार्बाइड कोर और लौह ऑक्साइड खोल वाले उत्प्रेरक ने 75 प्रतिशत से अधिक ओलेफिन चयनात्मकता और वजन के आधार पर लगभग 33 प्रतिशत हाइड्रोकार्बन उपज हासिल की। कार्बन मोनोऑक्साइड का रूपांतरण बढ़कर लगभग 95 प्रतिशत हो गया। अहम बात यह है कि हाइड्रोजन परमाणु उपयोग दक्षता, यानी उपयोगी उत्पाद में पहुंचने वाले हाइड्रोजन परमाणुओं का अनुपात और पानी या अन्य उप-उत्पादों में खो जाने वाले परमाणुओं का अंतर, लगभग 66 से 86 प्रतिशत रहा। यह पारंपरिक तरीकों में दर्ज 43 से 47 प्रतिशत की सीमा से कहीं अधिक है। साइंस में प्रकाशित नतीजों के अनुसार, उत्प्रेरक 500 घंटे तक स्थिरता से चला और उत्पाद की प्रति इकाई अपशिष्ट लगभग आधा घटा।

वैश्विक अर्थव्यवस्था के लिए ओलेफिन क्यों अहम हैं

एथिलीन और प्रोपिलीन आधुनिक सामग्री आपूर्ति श्रृंखला के केंद्र में हैं। इन अणुओं की वैश्विक मांग हर साल करोड़ों टन प्लास्टिक और इलास्टोमर के उत्पादन का आधार है। पारंपरिक स्टीम क्रैकर तेज गर्मी से नैफ्था या एथेन को इन अणुओं में बदलते हैं। चीन में बड़ी संख्या में मौजूद मेथनॉल-टू-ओलेफिन संयंत्र पहले सिनगैस से मेथनॉल बनाते हैं और फिर जिओलाइट उत्प्रेरकों से उसे ओलेफिन में बदलते हैं। दोनों प्रक्रियाएं आजमाई हुई हैं, लेकिन इनमें ऊर्जा-खपत वाले चरण हैं और काफी कार्बन उत्सर्जन होता है।

कोयले के प्रचुर भंडार वाले कई क्षेत्रों में कोयले को गैसीकृत कर सिनगैस बनाने वाले कोयला-से-रसायन संयंत्र विकसित हुए हैं। कोयला-आधारित सिनगैस में आम तौर पर कार्बन मोनोऑक्साइड काफी होता है, लेकिन हाइड्रोजन अपेक्षाकृत कम। आगे के संश्लेषण से पहले उत्पादक अक्सर हाइड्रोजन की मात्रा बढ़ाने के लिए अलग से वॉटर-गैस शिफ्ट चरण जोड़ते हैं। हर अतिरिक्त चरण भाप की खपत करता है, लागत बढ़ाता है और अधिक CO2 छोड़ता है। सिनगैस को सीधे ओलेफिन में बदलने वाला ऐसा रास्ता, जो हाइड्रोजन का अधिक कुशलता से उपयोग करे और बीच के चरण हटा दे, ऊर्जा खपत घटा सकता है और संयंत्रों को सरल बना सकता है।

इस अहम खोज के भीतर: लौह उत्प्रेरक कैसे काम करता है

सिनगैस के रसायन का दशकों से अध्ययन हो रहा है। नए डिजाइन में लौह कार्बाइड के कोर पर छिद्रयुक्त लौह ऑक्साइड का खोल चढ़ा है और सोडियम प्रमोटर के रूप में काम करता है। इसकी संरचना अहम है। कोर छोटी शृंखला वाले हाइड्रोकार्बन बनाने को बढ़ावा देता है, जो ओलेफिन में बदलते हैं, जबकि खोल पानी और कार्बन मोनोऑक्साइड को इस तरह संभालता है कि ठीक वहीं अतिरिक्त हाइड्रोजन बने जहां कोर को उसकी जरूरत है।

एक कण में वॉटर-गैस शिफ्ट और ओलेफिन निर्माण का मेल

इसमें दो बुनियादी प्रतिक्रियाएं काम करती हैं। पहली, फिशर-ट्रॉप्श प्रकार की प्रतिक्रिया, कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन को हाइड्रोकार्बन और पानी में बदलती है। इससे वांछित ओलेफिन बन सकते हैं, लेकिन पानी भी बनता है, जो आम तौर पर हाइड्रोजन को अपशिष्ट के रूप में साथ ले जाता है। दूसरी, वॉटर-गैस शिफ्ट प्रतिक्रिया, कार्बन मोनोऑक्साइड और पानी को हाइड्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड में बदलती है। पारंपरिक संयंत्रों में यह शिफ्ट चरण अलग रिएक्टर में होता है और हाइड्रोजन को बाद के चरण में भेजा जाता है।

नए उत्प्रेरक में लौह कार्बाइड का कोर ओलेफिन और पानी बनाता है। यह पानी लौह ऑक्साइड के खोल में फैलता है, जहां वॉटर-गैस शिफ्ट प्रतिक्रिया इसे नए हाइड्रोजन और CO2 में बदल देती है। बना हुआ हाइड्रोजन वापस कोर तक पहुंचता है और अधिक ओलेफिन बनने में मदद करता है। यह आंतरिक पुनर्चक्रण हाइड्रोजन के उपयोग को बेहतर करता है और आने वाली सिनगैस में हाइड्रोजन तथा कार्बन मोनोऑक्साइड का अनुपात ऊंचा रखने की जरूरत घटाता है। कोयले से बनी सिनगैस में अक्सर हाइड्रोजन का अनुपात कम होता है, इसलिए व्यावहारिक इस्तेमाल के लिए यह गुण अहम है।

समीक्षित परीक्षणों में दर्ज प्रदर्शन

लगभग 623 K और 2 MPa पर फिक्स्ड-बेड रिएक्टरों में किए गए प्रयोगों में कार्बन मोनोऑक्साइड का मजबूत रूपांतरण और ओलेफिन के प्रति उच्च चयनात्मकता देखी गई। हाइड्रोजन परमाणु उपयोग दक्षता 66 से 86 प्रतिशत दर्ज की गई, जो उत्पाद में हाइड्रोजन बनाए रखने में संघर्ष करने वाले पुराने तरीकों से कहीं बेहतर है। उत्प्रेरक बिना बड़ी निष्क्रियता के 500 घंटे चला। बताए गए लाभों में भाप की कम खपत, कम अपशिष्ट जल और उत्पादित ओलेफिन की प्रति इकाई कम CO2 उत्सर्जन शामिल हैं। रूपांतरण, चयनात्मकता और टिकाऊपन का यह मेल दिखाता है कि डिजाइन महज प्रयोगशाला तक सीमित नहीं है।

सरल शब्दों में हाइड्रोजन परमाणु उपयोग दक्षता

हाइड्रोजन परमाणु उपयोग दक्षता एक सरल विचार है, जिसका व्यावहारिक असर बड़ा है। यह बताती है कि कोई प्रक्रिया हाइड्रोजन परमाणुओं को पानी या अन्य अपशिष्ट के रूप में खोने के बजाय उपयोगी उत्पादों में कितनी कुशलता से बनाए रखती है। जिन प्रक्रियाओं में अधिक पानी बनता है, उनमें हाइड्रोजन भी अधिक बर्बाद होता है। सिनगैस से सीधे ओलेफिन बनाने में हाइड्रोजन परमाणु उपयोग दक्षता कम रहना लंबे समय से इसकी दक्षता सीमित करता और उत्सर्जन बढ़ाता रहा है।

एकीकृत उत्प्रेरक प्रतिक्रिया स्थल पर उप-उत्पाद पानी को अतिरिक्त हाइड्रोजन के स्रोत में बदलकर इस अनुपात को बेहतर करता है। इससे ऐसी सिनगैस के साथ भी काम किया जा सकता है जिसमें हाइड्रोजन और कार्बन मोनोऑक्साइड का अनुपात कम हो, जैसा कि कोयले और कभी-कभी बायोमास के गैसीकरण में आम है। गैस में बाहरी बदलाव और अतिरिक्त चरण कम होने से संसाधनों का बेहतर उपयोग होता है और प्रसंस्करण का दायरा घटता है।

प्रयोगशाला के नतीजों से औद्योगिक पैमाने तक

किसी संभावनाशील उत्प्रेरक को औद्योगिक इकाई में बदलने के लिए स्थिरता, निर्माण में आसानी और संयंत्र की परिस्थितियों में भरोसेमंद प्रदर्शन जरूरी हैं। चीन के शोध समूह सिनगैस रसायन के लिए कई मोर्चों पर लौह उत्प्रेरकों को आगे बढ़ा रहे हैं। बीजिंग स्थित नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ क्लीन एंड लो कार्बन एनर्जी की एक टीम ने रैखिक अल्फा-ओलेफिन के लिए शुद्ध-चरण लौह कार्बाइड उत्प्रेरक विकसित किया। यह सीधे CO2 बनाने के बजाय पानी बनने को बढ़ावा देकर CO2 को न्यूनतम करता है। इस प्रयास में सौ से अधिक संरचनाओं की जांच की गई और उच्च तापीय स्थिरता तथा सरल संश्लेषण की जानकारी दी गई; पायलट परीक्षण आगे बढ़ रहे हैं।

नया कोर-शेल डिजाइन कोयले और बायोमास से बनी सिनगैस को उच्च-मूल्य वाले रसायनों में बदलने की प्रक्रिया सरल बनाने की व्यापक कोशिश का हिस्सा है। वास्तविक संयंत्रों को गैस की बदलती संरचना, सल्फर या नाइट्रोजन के सूक्ष्म यौगिकों और तापमान के उतार-चढ़ाव से निपटना होगा। उत्प्रेरक कणों को आपस में जुड़ने और कार्बन जमाव का प्रतिरोध करना होगा। रिएक्टर का डिजाइन, ऊष्मा प्रबंधन और उत्पादों का पृथक्करण भी अर्थव्यवस्था को प्रभावित करते हैं। प्रयोगशाला के उत्साहजनक आंकड़े और घंटों तक चले स्थिरता परीक्षण शुरुआती चरण में हैं, लेकिन दिशा स्पष्ट है। अब काम का जोर बड़े पैमाने पर उत्पादन, लंबी अवधि तक चलने वाले परीक्षणों और एकीकृत कोयला-रासायनिक परिसरों या बायोमास गैसीकरण लाइनों में प्रदर्शन पर है।

कार्बन उत्सर्जन के लिए इसका क्या अर्थ है

कोयले से बनी सिनगैस का इस्तेमाल कर रसायन बनाने पर CO2 फिर भी निकलेगा। वॉटर-गैस शिफ्ट प्रतिक्रिया से CO2 बनता ही है और गैसीकरण की भी अपनी कार्बन छाप होती है। यहां सुधार हाइड्रोजन परमाणु उपयोग दक्षता बढ़ने, इकाई प्रक्रियाएं कम होने और भाप की खपत घटने से आता है। चरण घटाने से प्रति टन उत्पाद ऊर्जा की मांग और अपशिष्ट कम होते हैं। इससे प्रक्रिया कार्बन-मुक्त नहीं हो जाती, लेकिन पहले मेथनॉल और फिर ओलेफिन बनाने वाले रास्तों की तुलना में उत्सर्जन की तीव्रता घट सकती है।

कच्चे माल का चुनाव अहम है। बायोमास या जैविक कचरे से बनी सिनगैस में जैविक स्रोत का कार्बन होता है। अगर इसे कार्बन पकड़ने और भंडारण के साथ जोड़ा जाए, तो कुल संतुलन कम-कार्बन उत्पादन की ओर जा सकता है और कुछ व्यवस्थाओं में शुद्ध रूप से नकारात्मक उत्सर्जन भी संभव है। यही उत्प्रेरक सिद्धांत सिनगैस के अलग-अलग स्रोतों पर लागू होते हैं। कृषि अवशेषों या वानिकी कचरे तक पहुंच रखने वाली इकाइयां जीवाश्म कच्चे माल पर निर्भरता घटाने के लिए इस रसायन का उपयोग कर सकती हैं।

लौह उत्प्रेरकों में अन्य प्रगति भी इसी दिशा की ओर इशारा करती है। शुद्ध-चरण लौह कार्बाइड प्रणालियां लौह ऑक्साइड से बचते हुए प्रतिक्रियाओं को पानी बनाने की ओर मोड़ सकती हैं, जिससे उत्प्रेरक की सतह से सीधे होने वाला उत्सर्जन घटता है। चीन के शोध कार्यक्रम इन नवाचारों को कम-कार्बन औद्योगिक व्यवस्था के राष्ट्रीय लक्ष्यों और रसायनों की सुरक्षित आपूर्ति के साथ जोड़ते हैं।

मेथनॉल-टू-ओलेफिन और स्टीम क्रैकर से तुलना

मेथनॉल-टू-ओलेफिन संयंत्र पहले से व्यापक रूप से मौजूद हैं। वे सिनगैस से मेथनॉल बनाते हैं और फिर जिओलाइट उत्प्रेरकों से उसे ओलेफिन में बदलते हैं। कच्चे माल के लिहाज से यह श्रृंखला लचीली है, लेकिन इससे जटिलता और ऊर्जा की खपत बढ़ती है। सिनगैस से सीधे ओलेफिन बनाने वाला रास्ता मेथनॉल चरण हटा देता है। हाइड्रोजन के बेहतर उपयोग से यह भाप की मांग और उससे जुड़े CO2 को घटाता है। ओलेफिन और उप-उत्पादों का वितरण अब भी उत्प्रेरक के डिजाइन और संचालन की परिस्थितियों पर निर्भर करेगा, इसलिए उत्पादक कुल उपज, उत्पादों की संरचना और भरोसेमंद संचालन के आधार पर नए रास्ते का मूल्यांकन करेंगे।

वैश्विक ओलेफिन उत्पादन में स्टीम क्रैकिंग अब भी मुख्य तरीका है। कम लागत वाला एथेन या नैफ्था उपलब्ध होने पर यह सफल रहता है, लेकिन इसमें बहुत ऊर्जा और पूंजी लगती है। कोयले या बायोमास की प्रचुरता वाले क्षेत्रों को सिनगैस का सीधा रास्ता आकर्षक लग सकता है, क्योंकि इससे स्थानीय संसाधनों को उन्हीं जरूरी रसायनों में बदला जा सकता है। इसकी अर्थव्यवस्था उत्प्रेरक की लागत, रिएक्टर के डिजाइन, बिजली की कीमत और कम उत्सर्जन को बढ़ावा देने वाली नीतियों पर निर्भर करेगी।

प्लास्टिक कचरे की भूमिका

प्लास्टिक कचरे को कोयले या बायोमास के साथ मिलाकर सिनगैस बनाने में रुचि बढ़ रही है, जिसका उपयोग रासायनिक संश्लेषण में किया जा सकता है। अमेरिका की नेशनल एनर्जी टेक्नोलॉजी लेबोरेटरी के शोध से पता चला है कि कोयले और प्लास्टिक कचरे का सह-गैसीकरण हाइड्रोजन-समृद्ध सिनगैस बना सकता है और टार का निर्माण घटा सकता है, खासकर जब प्राकृतिक उत्प्रेरक खनिजों वाला कोयला-कचरा इस्तेमाल किया जाए। यह तरीका कचरा प्रबंधन को सिनगैस रसायन के लिए कच्चे माल की आपूर्ति से जोड़ता है।

अन्य टीमें लौह-आधारित उत्प्रेरकों की मदद से प्लास्टिक के माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त पायरोलिसिस की पड़ताल कर रही हैं, जिससे हाइड्रोजन और कार्बन नैनोट्यूब बनते हैं। इस प्रक्रिया में ऐसे उत्प्रेरक इस्तेमाल होते हैं जो माइक्रोवेव सोखकर सूक्ष्म गर्म क्षेत्र बनाते हैं। इससे गैस की उपज बढ़ती है और उच्च-मूल्य वाली कार्बन सामग्री बनती है। लौह की मात्रा और सक्रिय कार्बन या सिलिकॉन कार्बाइड जैसे सहायक पदार्थ का चुनाव गैस उत्पादन और नैनोट्यूब के विकास, दोनों को प्रभावित करता है।

बायोचार-आधारित उत्प्रेरक प्लास्टिक कचरे को कम लागत वाली, दोबारा इस्तेमाल की जा सकने वाली सामग्री से तरल ईंधन में बदलने का एक और रास्ता देते हैं। ये तरीके ओलेफिन संश्लेषण की जगह नहीं लेंगे, लेकिन अपशिष्ट घटाकर और वैकल्पिक कच्चा माल उपलब्ध कराकर सिनगैस के रास्तों के पूरक बन सकते हैं। उभरती तस्वीर उत्प्रेरक विकल्पों के ऐसे समूह की है जो अलग-अलग कचरे और संसाधनों को उपयोगी उत्पादों में बदल सकता है।

चुनौतियां और अनसुलझे सवाल

प्रयोगशाला में मजबूत नतीजों के बावजूद, इस रसायन के संयंत्रों में आम होने से पहले कई सवाल बाकी हैं। वॉटर-गैस शिफ्ट प्रतिक्रिया से CO2 बनता है, इसलिए कार्बन प्रबंधन की जरूरत बनी रहेगी। उच्च दबाव और सांद्रता पर CO2 को पकड़ना संभव है, लेकिन इससे लागत और बुनियादी ढांचे की जरूरत बढ़ती है। उत्प्रेरक का जीवनकाल केवल सैकड़ों घंटों के बजाय कई महीनों तक साबित करना होगा। कच्ची सिनगैस में मौजूद विषैले पदार्थों का प्रतिरोध और संयंत्र में ही उत्प्रेरक की गतिविधि फिर से बहाल करने की क्षमता संचालन के लिए अहम होगी।

तकनीक को अपनाने का फैसला अर्थव्यवस्था करेगी। नए रिएक्टरों और पृथक्करण प्रणालियों में निवेश जरूरी है। संचालक प्रति टन पूंजी लागत, उपयोगिताओं की खपत, रखरखाव और उत्पाद से होने वाली आय के आधार पर सीधे रास्ते की तुलना स्थापित मेथनॉल-टू-ओलेफिन लाइनों और स्टीम क्रैकर से करेंगे। कम उत्सर्जन के लिए नीतिगत प्रोत्साहन, बायोमास या कचरे से बने कच्चे माल की उपलब्धता और कार्बन पकड़ने में प्रगति यह तय करेगी कि तकनीक कहां और कितनी तेजी से फैलेगी। वैज्ञानिक प्रगति साफ है, लेकिन बाजार में प्रवेश बड़े पैमाने पर उत्पादन, वित्तपोषण और औद्योगिक स्तर पर भरोसेमंद प्रदर्शन पर निर्भर करता है।

मुख्य बिंदु

• चीनी वैज्ञानिकों ने लौह-आधारित नैनोकण उत्प्रेरक की जानकारी दी है, जो अधिक दक्षता और कम चरणों के साथ सिनगैस को सीधे ओलेफिन में बदलता है।
• यह उत्प्रेरक एक ही कण में ओलेफिन निर्माण और वॉटर-गैस शिफ्ट प्रतिक्रिया को जोड़ता है तथा उप-उत्पाद पानी को हाइड्रोजन में पुनर्चक्रित करता है।
• दर्ज प्रदर्शन में 75 प्रतिशत से अधिक ओलेफिन चयनात्मकता, लगभग 95 प्रतिशत कार्बन मोनोऑक्साइड रूपांतरण और 66 से 86 प्रतिशत हाइड्रोजन परमाणु उपयोग दक्षता शामिल है।
• स्थिरता परीक्षण 500 घंटे तक चले। इनमें उत्पाद की प्रति इकाई अपशिष्ट लगभग 46 प्रतिशत घटने और भाप तथा अपशिष्ट जल की जरूरत कम होने के संकेत मिले।
• यह तरीका कोयले, बायोमास या अन्य स्रोतों से बनी सिनगैस का उपयोग कर सकता है और स्टीम क्रैकिंग तथा मेथनॉल-टू-ओलेफिन जैसे पेट्रोलियम-आधारित रास्तों पर निर्भरता घटा सकता है।
• CO2 अब भी बनता है, लेकिन हाइड्रोजन का अधिक उपयोग और कम इकाई प्रक्रियाएं उत्सर्जन की तीव्रता घटा सकती हैं। कार्बन पकड़ने और बायोमास कच्चे माल के साथ इसका उपयोग छाप को और कम कर सकता है।
• रैखिक अल्फा-ओलेफिन के लिए लौह कार्बाइड उत्प्रेरकों और कचरे से सिनगैस बनाने के शोध में समानांतर प्रगति कम-कार्बन रासायनिक विनिर्माण की व्यापक दिशा को समर्थन देती है।
• व्यावसायिक इस्तेमाल उत्प्रेरक के जीवनकाल, बड़े पैमाने पर उत्पादन की सफलता, CO2 प्रबंधन और मौजूदा तकनीकों के मुकाबले प्रतिस्पर्धी लागत पर निर्भर करेगा।