Reactive flash volatilization
प्रतिक्रियाशील त्वरित वाष्पीकरण (आर. एफ. वी.) एक रासायनिक प्रक्रिया है जो उत्प्रेरक रसायनों के साथ एकीकरण के लिए तापीय अपघटन द्वारा गैर-वाष्पशील ठोस और तरल पदार्थों को तेजी से वाष्पशील यौगिकों में परिवर्तित करती है। रसायन विज्ञान ईंधन या रसायनों के लिए कार्बोहाइड्रेट (C6H10O5) n से भरपूर भारी जीवाश्म ईंधन या बायोमास के उपयोग के लिए पायरोलिसिस नामक एक प्रारंभिक थर्मोकेमिकल प्रक्रिया की आवश्यकता होती है जो बड़े पॉलिमर को छोटे वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों (VOCs) के मिश्रण में तोड़ती है। बायोमास के पायरोलिसिस की एक विशिष्ट विधि, जिसे "फास्ट पायरोलिसिस" कहा जाता है, बायोमास के कणों को लगभग 10 प्रतिशत कार्बन युक्त ठोस जिसे चार कहा जाता है, लगभग 15 प्रतिशत गैसें जैसे कार्बन डाइऑक्साइड, और लगभग 70 प्रतिशत कार्बनिक यौगिकों के मिश्रण को आमतौर पर 500 डिग्री सेल्सियस पर "बायो-ऑयल" के रूप में संदर्भित करता है। पायरोलिसिसः बायोमास + हीट → 0.70VOCs + 0.10Char + 0.15Gases वाष्पशील कार्बनिक पदार्थों को भाप सुधार, गैसीकरण, उत्प्रेरक आंशिक ऑक्सीकरण, उत्प्रेरक दरार, दहन या हाइड्रोट्रीटिंग जैसी पारंपरिक प्रक्रियाओं द्वारा आगे थर्मोकेमिकल रूपांतरण के लिए एक भूरे, अत्यधिक अम्लीय तरल के रूप में एकत्र किया जा सकता है। उत्प्रेरक भाप सुधारः वी. ओ. सी. + एच. 2. ओ. + ऊष्मा + उत्प्रेरक + एच. 2. + सी. ओ. + उत्प्रेरक उत्प्रेरक आंशिक ऑक्सीकरणः वी. ओ. सी. + ओ. 2. + उत्प्रेरक + एच. 2. + सी. ओ. + ऊष्मा + उत्प्रेरक उत्प्रेरकः वी. ओ. सी. + ओ. 2. + उत्प्रेरक + सी. ओ. 2. + एच. 2. ओ. + ऊष्मा + उत्प्रेरक रसायन विज्ञान के ये दो समूह, पायरोलिसिस और उत्प्रेरक प्रसंस्करण, प्रतिक्रियाशील त्वरित वाष्पीकरण प्रक्रिया बनाने के लिए संयुक्त हैं। ठोस हाइड्रोकार्बन या बायोमास को गैसों और अस्थिर कार्बनिक यौगिकों को उत्पन्न करने के लिए उच्च तापमान (500-900 °C) उत्प्रेरक के साथ संपर्क किया जाता है। वाष्पशील प्रजातियाँ उत्प्रेरक में एक अभिकारक (H2, O2, या H2O) के साथ प्रवाहित होती हैं ताकि वांछनीय उत्पादों (H2, CO, H2O, CO2, या VOCs) में परिवर्तित हो सकें। आर. एफ. वी.: बायोमास + हीट + रिएक्टेंट + कैटेलिस्ट → गैसें + वी. ओ. सी. + रिएक्टेंट + कैटेलिस्ट → उत्पाद + कैटेलिस्ट डिस्कवरी रिएक्टिव फ्लैश वाष्पीकरण 2006 में साइंस जर्नल में सोयाबीन तेल (ट्राइग्लिसराइड्स) और चीनी (डी-(+)-ग्लूकोज) के संश्लेषण गैस (एच2 + सी. ओ.) और ओलेफिन (एथिलीन और प्रोपिलीन) में उच्च तापमान (700-800 डिग्री सेल्सियस) रूपांतरण द्वारा प्रदर्शित किया गया था। भारी ईंधनों का पूर्ण, निरंतर उत्प्रेरक रूपांतरण आश्चर्यजनक था, क्योंकि प्रारंभिक पायरोलाइटिक रसायन विज्ञान को "चार" नामक ठोस अवशेषों की महत्वपूर्ण मात्रा उत्पन्न करने के लिए दिखाया गया है जो अभिकारक यौगिकों और ठोस धातु उत्प्रेरक के बीच आवश्यक बातचीत को अवरुद्ध करने की उम्मीद थी। प्रक्रिया का वर्णन किया गया है, "इन जैव ईंधन फीडस्टॉक्स की कम अस्थिरता न केवल कालिख उत्पादन की ओर ले जाती है जब उन्हें सीधे आंतरिक दहन इंजनों में उपयोग किया जाता है, बल्कि उन्हें कार्बन की एक निष्क्रिय परत के साथ औद्योगिक उत्प्रेरक को कोट करने का कारण बनता है, इस प्रकार उनके हल्के उत्पादों में परिवर्तन में बाधा आती है। जेम्स रिचर्ड साल्ज और उनके सहयोगियों ने दिखाया कि यदि सोयाबीन तेल या बायोडीजल जैसे भारी ईंधन को ऑक्सीजन की उपस्थिति में महीन बूंदों के रूप में गर्म रोडियम-सेरियम उत्प्रेरक पर छिड़का जाता है, तो ईंधन स्वयं गर्म हो सकते हैं और कार्बन निर्माण और उत्प्रेरक निष्क्रियता के बिना हाइड्रोजन बनाने के लिए पूरी तरह से प्रतिक्रिया कर सकते हैं। आर. एफ. वी.: ट्राइग्लिसराइड + ओ2 + उत्प्रेरक → एथिलीन + प्रोपलीन + सी. ओ. 2 + एच. 2. ओ. + उत्प्रेरक इस प्रक्रिया ने सोया-तेल ट्राइग्लिसराइड में परमाणु हाइड्रोजन के 70 प्रतिशत को आणविक एच. 2 में और 60 प्रतिशत परमाणु कार्बन को आर. एच. आधारित उत्प्रेरक पर कार्बन मोनोऑक्साइड में परिवर्तित कर दिया। विभिन्न परिचालन स्थितियों में, प्रक्रिया एथिलीन और प्रोपिलीन की एक महत्वपूर्ण मात्रा का उत्पादन कर सकती है। प्रतिक्रियाशील त्वरित वाष्पीकरण का पहला प्रदर्शन प्रयोगात्मक चरणों की एक श्रृंखला द्वारा हुआः शोधकर्ता या तो शुद्ध सोयाबीन तेल या एक मोटी चीनी सिरप के साथ शुरू करते हैं। रिएक्टर में एक मोटर वाहन ईंधन इंजेक्टर होता है, जिसका उपयोग ट्यूब के माध्यम से महीन बूंदों के रूप में तेल या सिरप का छिड़काव करने के लिए किया जाता है। ट्यूब में एक प्लग की तरह बैठना एक रोडियम-सीरियम उत्प्रेरक सामग्री से बना एक झरझरा सिरेमिक डिस्क है। जैसे ही बूंदें डिस्क से टकराती हैं-जिसकी सतह का तापमान 1,000 डिग्री सेल्सियस होता है-गर्मी और ऑक्सीजन तेल या चीनी के अणुओं को तोड़ देते हैं। उत्प्रेरक जल वाष्प और कार्बन के बजाय सिनगैस के उत्पादन की दिशा में टूटने का मार्गदर्शन करता है। सिनगैस छिद्रपूर्ण डिस्क के माध्यम से गुजरता है और ट्यूब में नीचे की ओर एकत्र किया जाता है। बाहरी ताप की आवश्यकता नहीं होती है क्योंकि रासायनिक प्रतिक्रियाएं तेल या चीनी के अणुओं को तोड़ने के लिए पर्याप्त गर्मी छोड़ती हैं। 300 डिग्री सेल्सियस के तापमान को प्राप्त करने के लिए गर्मी की प्रारंभिक आपूर्ति आवश्यक है, जिसके बाद प्रतिक्रिया शुरू होती है, या "रोशनी बंद" हो जाती है, और जल्दी से 700-800 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक बढ़ जाती है। स्थिर परिस्थितियों में, प्रतिक्रिया उच्च तापमान, अत्यंत तेज रसायन विज्ञान को बनाए रखने के लिए पर्याप्त गर्मी उत्पन्न करती है। भारी, गैर-वाष्पशील यौगिकों को वाष्पशील या गैसीय प्रजातियों में बदलने का कुल समय मिलीसेकंड (या एक सेकंड के हजारवें हिस्से) में होता है। सेलूलोज़, स्टार्च, लिग्निन, क्वैकिंग एस्पेन (पॉपुलस ट्रेम्युलोइड्स) लकड़ी के चिप्स और पॉलीइथिलीन से बने ठोस कणों के ठोस बायोमास प्रतिक्रियाशील फ्लैश वाष्पीकरण के लिए अनुप्रयोग का प्रदर्शन 2007 में वैज्ञानिक पत्रिका एंजवंड्टे केमी में किया गया था। सेलूलोज़ के कण पूरी तरह से 30 मिलीसेकंड में सिनगैस (एच2 और सीओ) और दहन उत्पादों (एच2ओ और सीओ2) में परिवर्तित हो गए थे। 500-900 °C पर काम करते समय बाहरी ऊष्मा स्रोत की आवश्यकता के बिना सभी सामग्रियों का उत्प्रेरक सुधार हुआ। इष्टतम परिस्थितियों में, सभी परमाणु हाइड्रोजन के 50 प्रतिशत और सभी परमाणु कार्बन के 50 प्रतिशत को 30 मिलीसेकंड के रूप में कम समय में आणविक एच2 और कार्बन मोनोऑक्साइड में परिवर्तित किया जा सकता है। आरएच-सीई/एल्यूमिना उत्प्रेरक और एनआई-सीई/एल्यूमिना उत्प्रेरक दोनों पर प्रतिक्रिया रसायन का प्रदर्शन किया गया था। वैज्ञानिक पत्रिका ग्रीन केमिस्ट्री में एक प्रकाशन ने प्रदर्शित किया कि प्रतिक्रियाशील फ्लैश वाष्पीकरण की प्रक्रिया को थर्मल और रासायनिक एकीकरण के माध्यम से होने वाले कई अन्य वैश्विक रसायनों का संयोजन माना जा सकता है। जैसा कि दाईं ओर आरेख में दिखाया गया है, प्रारंभिक पायरोलिसिस रसायन विज्ञान तब होता है जब बायोमास कण (हरा) भौतिक रूप से गर्म उत्प्रेरक (नारंगी) से संपर्क करता है। वाष्पशील कार्बनिक यौगिक (वीओसी) ऑक्सीजन के साथ उत्प्रेरक में प्रवाहित होते हैं, आरएच परमाणुओं पर अवशोषित होते हैं, और दहन उत्पादों (एच2ओ और सीओ2) और सिनगैस (एच2 और सीओ) बनाने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं। इस प्रारंभिक रसायन विज्ञान के बाद, तीन मुख्य वैश्विक प्रतिक्रियाएँ होती हैं। दहन उत्पाद जल-गैस स्थानांतरण प्रतिक्रिया द्वारा सिनगैस के साथ उत्प्रेरक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं। इसके अलावा, वाष्पशील कार्बनिक नए दहन उत्पाद और सिनगैस बनाने के लिए भाप (H2O) के साथ उत्प्रेरक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं। अंत में, वाष्पशील कार्बनिक पदार्थ गैस चरण में सजातीय रूप से टूट कर छोटे वाष्पशील कार्बनिक पदार्थ बना सकते हैं। प्रचालन तापमान को उत्प्रेरक की लंबाई के भीतर भिन्न दिखाया गया है जबकि यह बायोमास-से-ऑक्सीजन अनुपात का एक मजबूत कार्य भी है। एक प्रयोगात्मक परीक्षण से पता चला है कि ऊष्मीय रूप से बायोमास को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊष्मा उत्प्रेरक तल के भीतर सतह ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं द्वारा उत्पन्न की गई थी। संतुलन में कार्बन के गठन को रोकने के लिए तापमान प्रोफ़ाइल (और प्रतिक्रिया तापमान) को बेहद महत्वपूर्ण दिखाया गया था। बहुत तेजी से रूपांतरण को उच्च परिचालन तापमान के लिए जिम्मेदार ठहराया गया है, लेकिन अधिकतम सेलूलोज़ प्रसंस्करण दर निर्धारित नहीं की गई है। हालांकि, अस्थिर कार्बनिक यौगिकों के उत्प्रेरक आंशिक ऑक्सीकरण से पता चला है कि पूर्ण रूपांतरण 10 मिलीसेकंड से भी कम समय में हो सकता है। मिनेसोटा विश्वविद्यालय में लैनी डी. श्मिट का शोध समूह बुनियादी अनुसंधान की आवश्यकताएँः मिनेसोटा विश्वविद्यालय में ऊर्जा रासायनिक इंजीनियरिंग और सामग्री विज्ञान के लिए उत्प्रेरण मिनेसोटा विश्वविद्यालय में पॉल जे. डोएनहावर का शोध समूह रासायनिक प्रक्रियाएँ