Sabatier reaction
سبٹیئر رد عمل یا سبٹیئر عمل اعلی درجہ حرارت (بہتر 300-400 °C) اور دباؤ (شاید 3 MPa) پر نکل اتپریرک کی موجودگی میں کاربن ڈائی آکسائیڈ کے ساتھ ہائیڈروجن کے رد عمل سے میتھین اور پانی پیدا کرتا ہے۔ اسے فرانسیسی کیمسٹ پال سبٹیئر اور جین بپٹسٹ سینڈرینس نے 1897 میں دریافت کیا تھا۔ اختیاری طور پر، الومینا (ایلومینیم آکسائڈ) پر روتھینیئم ایک زیادہ موثر اتپریرک بناتا ہے۔ اسے مندرجہ ذیل ایکسوتھرمک رد عمل سے بیان کیا جاتا ہے: CO2 {} + 4H2-> [{} \atop 400\ \circ\se {C}] [\se {پریشر + کیٹالسٹ}] CH4 {} + 2H2O ≤H = − 165.0 kJ/mol اس بات پر اختلاف ہے کہ آیا CO2 میتھینیشن پہلے ایسوسی ایٹ طور پر ایڈٹم ہائیڈروجن کو جذب کرنے اور ہائیڈروجنشن سے پہلے آکسیجن انٹرمیڈیٹس بنانے یا ہائیڈروجن ہونے سے پہلے کاربونل کو الگ کرنے اور بنانے سے ہوتی ہے۔ خیال کیا جاتا ہے کہ {CO} + 3H2-> {CH4} + H2O® H = −206 kJ/mol CO میتھینیشن ایک جداکار میکانزم کے ذریعے ہوتی ہے جہاں کاربن آکسیجن بانڈ ہائیڈروجنائزیشن سے پہلے ٹوٹ جاتا ہے اور ایک منسلک میکانزم صرف اعلی H2 ارتکاز پر مشاہدہ کیا جاتا ہے۔ این آئی، آر یو اور آر ایچ سمیت مختلف دھاتی اتپریرک پر میتھینیشن کے رد عمل کی سنگیس اور دیگر طاقت سے گیس کے اقدامات تک سی ایچ 4 کی پیداوار کے لیے وسیع پیمانے پر تحقیقات کی گئی ہیں۔ نکل اپنی زیادہ انتخاب اور کم لاگت کی وجہ سے سب سے زیادہ استعمال ہونے والا اتپریرک ہے۔ ایپلی کیشنز مصنوعی قدرتی گیس کی تخلیق میتھینیشن مصنوعی یا متبادل قدرتی گیس (ایس این جی) کی تخلیق میں ایک اہم قدم ہے۔ کوئلہ یا لکڑی گیسیفیکیشن سے گزرتی ہے جس سے ایک پروڈیوسر گیس پیدا ہوتی ہے جسے قابل استعمال گیس پیدا کرنے کے لیے میتھینیشن سے گزرنا پڑتا ہے جسے صرف حتمی طہارت کے مرحلے سے گزرنا پڑتا ہے۔ پہلا تجارتی مصنوعی گیس پلانٹ 1984 میں کھولا گیا اور یہ شمالی ڈکوٹا کے بیولہ میں واقع گریٹ پلینس سن فیولز پلانٹ ہے۔ 2016 تک، یہ اب بھی کام کر رہا ہے اور کاربن کے ذریعہ کے طور پر کوئلے کا استعمال کرتے ہوئے 1500 میگاواٹ مالیت کی ایس این جی تیار کرتا ہے۔ اس کے افتتاح کے بعد کے سالوں میں، دیگر تجارتی سہولیات دیگر کاربن ذرائع جیسے لکڑی کے چپس کا استعمال کرتے ہوئے کھولی گئی ہیں۔ فرانس میں، نانٹیس میں واقع اے ایف یو ایل چانٹریری نے نومبر 2017 میں ڈیمنسٹریٹر مائنروی کا افتتاح کیا۔ یہ اکائی 14 ایم ایم 3/دن میتھین پیدا کرتی ہے۔ پلانٹ ایک کمپریسڈ قدرتی گیس اسٹیشن کو کھانا کھلاتا ہے اور قدرتی گیس کے بوائیلر میں میتھین داخل کرتا ہے۔ سبٹیئر رد عمل کا استعمال قابل تجدید توانائی کے غلبہ والے توانائی کے نظاموں میں ہوا، شمسی فوٹو وولٹک، ہائیڈرو، سمندری کرنٹ وغیرہ سے پیدا ہونے والی اضافی بجلی کو استعمال کرنے کے لیے کیا گیا ہے۔ پانی کے برقی تجزیہ سے ہائیڈروجن سے میتھین بنانا۔ نقل و حمل یا توانائی ذخیرہ کرنے کی ایپلی کیشنز کے لیے ہائیڈروجن کے براہ راست استعمال کے برعکس، میتھین کو موجودہ گیس نیٹ ورک میں داخل کیا جا سکتا ہے۔ میتھین کو قابل تجدید توانائی کی پیداوار کے کم نکات پر قابو پانے کے لیے بجلی پیدا کرنے کے لیے آن ڈیمانڈ استعمال کیا جا سکتا ہے۔ یہ عمل ہائیڈروجن بنانے کے لیے بجلی کے ذریعے پانی کا برقی تجزیہ ہے (جسے جزوی طور پر براہ راست ایندھن کے خلیوں میں استعمال کیا جا سکتا ہے) اور میتھین بنانے کے لیے کاربن ڈائی آکسائیڈ CO2 (سبٹیئر رد عمل) کا اضافہ ہے۔ کاربن ڈائی آکسائیڈ کو ہوا یا جیواشم ایندھن کی فضلہ گیسوں سے امین کے عمل کے ذریعے نکالا جا سکتا ہے۔ 2013 میں جرمنی میں 6 میگاواٹ پاور ٹو گیس پلانٹ کی پیداوار شروع ہوئی، اور اس نے 1,500 آڈی اے 3 کے بیڑے کو طاقت دی۔ امونیا کی ترکیب امونیا کی پیداوار میں CO اور CO2 کو عام طور پر استعمال ہونے والے اتپریرک کے لیے زہر سمجھا جاتا ہے۔ امونیا کی ترکیب کے لوپ میں کاربن آکسائیڈ کی تعمیر کو روکنے کے لیے کئی ہائیڈروجن پیدا کرنے والے اقدامات کے بعد میتھینیشن اتپریرک شامل کیے جاتے ہیں کیونکہ میتھین کے امونیا کی ترکیب کی شرحوں پر اسی طرح کے منفی اثرات نہیں ہوتے ہیں۔ بین الاقوامی خلائی اسٹیشن پر موجود آکسیجن جنریٹر برقی تجزیہ کا استعمال کرتے ہوئے پانی سے آکسیجن تیار کرتے ہیں۔ پیدا شدہ ہائیڈروجن کو پہلے خلا میں پھینک دیا گیا تھا۔ جیسے ہی خلاباز آکسیجن کا استعمال کرتے ہیں، کاربن ڈائی آکسائیڈ پیدا ہوتا ہے، جسے پھر ہوا سے ہٹانا پڑتا ہے اور ساتھ ہی پھینکنا پڑتا ہے۔ اس نقطہ نظر کے لیے کافی مقدار میں پانی کو باقاعدگی سے آکسیجن کی پیداوار کے لیے خلائی اسٹیشن تک پہنچانے کی ضرورت تھی اس کے علاوہ جو انسانی استعمال، حفظان صحت اور دیگر استعمال کے لیے استعمال ہوتا ہے-ایک ایسی عیش و عشرت جو زمین کے نچلے مدار سے باہر مستقبل کے طویل مدتی مشنوں کے لیے دستیاب نہیں ہوگی۔ ناسا بین الاقوامی خلائی اسٹیشن پر برقی تجزیہ سے خارج ہونے والے کاربن ڈائی آکسائیڈ اور ہائیڈروجن سے پانی کو بازیافت کرنے اور ممکنہ طور پر مستقبل کے مشنوں کے لیے سبٹیئر رد عمل کا استعمال کر رہا ہے۔ دوسرے نتیجے میں بننے والا کیمیائی، میتھین، خلا میں چھوڑا جاتا ہے۔ جیسے ہی ان پٹ ہائیڈروجن کا آدھا حصہ میتھین کے طور پر ضائع ہو جاتا ہے، اس فرق کو پورا کرنے کے لیے زمین سے اضافی ہائیڈروجن فراہم کی جاتی ہے۔ تاہم، یہ پانی، آکسیجن اور کاربن ڈائی آکسائیڈ کے درمیان تقریبا بند چکر پیدا کرتا ہے جسے برقرار رکھنے کے لیے صرف درآمد شدہ ہائیڈروجن کی نسبتا معمولی مقدار کی ضرورت ہوتی ہے۔ 2H2O-> [\text {ectrolysis}] O2 {} + 2H2-> [\text {spiration}] CO2 {} + 2H2 {} +\اوورسیٹ {add} {2H2}-> 2H2O {} +\اوورسیٹ {ضائع شدہ} {CH4} لوپ کو مزید بند کیا جا سکتا ہے اگر فضلہ میتھین کو پائرولیسس کے ذریعے اس کے اجزاء کے حصوں میں الگ کیا جائے، جس کی اعلی کارکردگی (95 ٪ تک تبدیلی) 1200 °C پر حاصل کی جا سکتی ہے: CH4-> [\text {گرمی] C {} + 2H2 پھر جاری شدہ ہائیڈروجن کو دوبارہ سبٹیئر ری ایکٹر میں ری سائیکل کیا جائے گا۔ ری ایکٹر اسٹیل کے پائپ سے تھوڑا زیادہ ہوگا، اور وقتا فوقتا ایک خلاباز کے ذریعہ اس کی خدمت کی جا سکتی ہے جہاں ذخائر کو تراشا جاتا ہے۔ متبادل طور پر، لوپ کو جزوی طور پر بند کیا جا سکتا ہے (CH4 سے بازیافت شدہ H2 کا 75 ٪) فضلہ میتھین کے نامکمل پائرولیسس کے ذریعے جبکہ کاربن کو ایسیٹیلین کے طور پر گیس کی شکل میں بند رکھا جا سکتا ہے: 2CH4-> C2H2 + 3H2 ناسا کی طرف سے بھی اس مقصد کے لیے بوش رد عمل کی تحقیقات کی جا رہی ہے اور یہ ہے: CO2 + 2H2-> C + 2H2O بوش رد عمل ایک مکمل طور پر بند ہائیڈروجن اور آکسیجن سائیکل پیش کرے گا جو صرف جوہری کاربن کو فضلہ کے طور پر پیدا کرتا ہے۔ تاہم، اس کے درجہ حرارت کو 600 ڈگری سیلسیس تک برقرار رکھنے اور کاربن کے ذخائر کو مناسب طریقے سے سنبھالنے میں دشواریوں کا مطلب ہے کہ بوش ری ایکٹر کے حقیقت بننے سے پہلے نمایاں طور پر مزید تحقیق کی ضرورت ہوگی۔ ایک مسئلہ یہ ہے کہ بنیادی کاربن کی پیداوار اتپریرک کی سطح (کوکنگ) کو خراب کرتی ہے، جو رد عمل کی کارکردگی کے لیے نقصان دہ ہے۔ مریخ پر پروپیلنٹ کی تیاری سبٹیئر رد عمل کو ان سیٹو وسائل کے استعمال کے ذریعے مریخ (مارس ڈائریکٹ، اسپیس ایکس اسٹارشپ) پر انسانی مشن کی لاگت کو کم کرنے کے لیے ایک اہم قدم کے طور پر تجویز کیا گیا ہے۔ ہائیڈروجن کو ماحول سے کاربن ڈائی آکسائیڈ کے ساتھ ملایا جاتا ہے، میتھین کے ساتھ پھر ایندھن کے طور پر ذخیرہ کیا جاتا ہے اور پانی کی طرف کی مصنوعات الیکٹرولائزڈ آکسیجن کو مائع بنانے کے لیے اور آکسیڈائزر اور ہائیڈروجن کے طور پر ذخیرہ کیا جاتا ہے تاکہ ری ایکٹر میں دوبارہ ری سائیکل کیا جا سکے۔ اصل ہائیڈروجن کو زمین سے منتقل کیا جا سکتا ہے یا مریخ کے پانی کے ذرائع سے الگ کیا جا سکتا ہے۔ ہائیڈروجن درآمد کرنا تھوڑی مقدار میں ہائیڈروجن درآمد کرنا پانی کی تلاش سے گریز کرتا ہے اور صرف ماحول سے کاربن ڈائی آکسائیڈ کا استعمال کرتا ہے۔ بنیادی سبٹیئر میتھانیشن رد عمل کی ایک تغیر کو مریخ پر دستیاب خام مال سے میتھین پیدا کرنے کے لیے ایک ری ایکٹر میں مخلوط اتپریرک بیڈ اور ریورس واٹر گیس شفٹ کے ذریعے استعمال کیا جا سکتا ہے، جو مریخ کے ماحول میں کاربن ڈائی آکسائیڈ کا استعمال کرتا ہے۔ 2011 کا ایک پروٹو ٹائپ ٹیسٹ آپریشن جس نے مصنوعی مریخ کے ماحول سے CO2 کاٹا اور اسے H2 کے ساتھ رد عمل ظاہر کیا، 1 کلوگرام/دن کی شرح سے میتھین راکٹ پروپیلنٹ تیار کیا، جو مسلسل 5 دنوں تک خود مختار طور پر کام کرتا رہا، اور تقریبا 100% تبادلوں کی شرح کو برقرار رکھا۔ 50 کلو گرام کے بڑے پیمانے پر اس ڈیزائن کا ایک بہتر نظام 98 + ٪ کی میتھین پاکیزگی کے ساتھ 1 کلوگرام/دن O2: CH4 پروپیلنٹ پیدا کرنے کا امکان ہے جبکہ فی دن ~ 17 کلو واٹ فی گھنٹہ بجلی استعمال کرتا ہے (700 ڈبلیو کی مسلسل طاقت پر)۔ بہتر نظام سے متوقع مجموعی یونٹ تبدیلی کی شرح ایک ٹن پروپیلنٹ فی 17 میگاواٹ توانائی ان پٹ ہے۔ آکسیجن کے لیے آکسیڈائزر اور ایندھن کا سٹوچیومیٹرک تناسب 2:1 ہے: میتھین انجن: CH4 + 2O2-> CO2 + 2H2O تاہم، سبٹیئر ری ایکٹر سے گزرنے والا صرف 1:1 کا تناسب پیدا کرتا ہے۔ واٹر گیس شفٹ ری ایکشن (ڈبلیو جی ایس آر) کو ریورس (آر ڈبلیو جی ایس) میں چلا کر کاربن ڈائی آکسائیڈ کو کاربن مونو آکسائیڈ میں مؤثر طریقے سے کم کرکے ماحول سے آکسیجن نکال کر مزید آکسیجن تیار کی جا سکتی ہے۔ ایک اور آپشن یہ ہے کہ ضرورت سے زیادہ میتھین بنایا جائے اور اس کی اضافی مقدار کو کاربن اور ہائیڈروجن میں پائرولائز کیا جائے (اوپر کا حصہ دیکھیں)، جہاں ہائیڈروجن کو دوبارہ ری ایکٹر میں ری سائیکل کیا جاتا ہے تاکہ مزید میتھین اور پانی پیدا کیا جا سکے۔ ایک خودکار نظام میں، کاربن کے ذخائر کو گرم مارٹین CO2 کے ساتھ دھماکے سے ہٹا کر ہٹایا جا سکتا ہے، کاربن کو کاربن مونو آکسائیڈ میں آکسائڈائز کیا جا سکتا ہے (بوڈورڈ رد عمل کے ذریعے)، جو وینٹ کیا جاتا ہے۔ اسٹوچیومیٹری کے مسئلے کا چوتھا حل یہ ہوگا کہ سبٹیئر رد عمل کو ریورس واٹر گیس شفٹ (آر ڈبلیو جی ایس) رد عمل کے ساتھ ایک ری ایکٹر میں اس طرح جوڑا جائے: 3 سی او 2 + 6 ایچ 2-> سی ایچ 4 + 2 سی او + 4 ایچ 2 او یہ رد عمل قدرے ایکسوتھرمک ہوتا ہے، اور جب پانی کو الیکٹرولائز کیا جاتا ہے، تو آکسیجن اور میتھین کا تناسب 2:1 حاصل ہوتا ہے۔ اس بات سے قطع نظر کہ آکسیجن فکسشن کا کون سا طریقہ استعمال کیا جاتا ہے، مجموعی عمل کا خلاصہ مندرجہ ذیل مساوات سے کیا جا سکتا ہے: 2H2 + 3CO2-> CH4 + 2O2 + 2CO سالماتی کمیتوں کو دیکھتے ہوئے، 4 گرام ہائیڈروجن کا استعمال کرتے ہوئے 16 گرام میتھین اور 64 گرام آکسیجن تیار کی گئی ہے (جسے زمین سے درآمد کرنا پڑے گا، جب تک کہ مریخ کے پانی کو الیکٹرولائز نہ کیا جائے)، 20:1 کے بڑے پیمانے پر فائدہ کے لیے ؛ اور میتھین اور آکسیجن راکٹ انجن میں جلانے کے لیے صحیح اسٹوچیومیٹرک تناسب میں ہیں۔ اس قسم کے ان سیٹو وسائل کے استعمال کے نتیجے میں کسی بھی مجوزہ عملے والے مریخ یا نمونے کی واپسی کے مشنوں کے لیے بڑے پیمانے پر وزن اور لاگت کی بچت ہوگی۔ میتھین پائرولیسس (ہائیڈروجن کے لیے) حوالہ جات بیرونی روابط مریخ کے لیے ایک عملے کا مشن ایک بہتر سبٹیئر ری ایکٹر کی ترقی مریخ کے مشنوں پر اتپریرک میتھینیشن تجرباتی ہدایات، ویڈیوز، اور نظریہ ہائیڈروجن میتھین نامیاتی ریڈوکس رد عمل نام کے رد عمل اتپریرک مصنوعی ایندھن ٹیکنالوجیز