Низкоуглеродные технологии в химической промышленности

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
Ф. Р. Гариева, М. Ф. Галимова 
НИЗКОУГЛЕРОДНЫЕ 
ТЕХНОЛОГИИ В ХИМИЧЕСКОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ 
Монография 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2023 

УДК 66:669.14 
ББК  35:34.3 
Г20 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
канд. хим. наук М. М. Латыпова 
канд. хим. наук Р. З. Мусин 
Г20 
Гариева Ф. Р. 
Низкоуглеродные технологии в химической промышленности : 
монография / Ф. Р. Гариева, М. Ф. Галимова; Минобрнауки России, 
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2023. – 80 с. 
ISBN 978-5-7882-3447-2 
Представлен обзор литературных данных по современным подходам к проблеме декарбонизации. Рассмотрены пути утилизации диоксида углерода в ценные химические продукты, такие как метанол, диметиловый эфир, полиуретаны, 
топливо, технологии, реализованные в промышленности, а также перспективные 
данные научных исследований в области низкоуглеродного развития.  
Предназначена для обучающихся направления 18.03.01 (18.04.01) «Химическая технология», а также для научных сотрудников, аспирантов и специалистов, 
работающих в области нефтехимии. 
Подготовлена на кафедре технологии основного органического и нефтехимического синтеза. 
УДК 66:669.14 
ББК  35:34.3 
ISBN 978-5-7882-3447-2 
© Гариева Ф. Р., Галимова М. Ф., 2023 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2023 
2

С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение 
......................................................................................................................... 4 
1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СО2 .......................................................................................... 6 
1.1. Физическое использование CO2 ........................................................................ 6 
1.2. Химическое использование CO2........................................................................ 6 
2. МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ПОЛЕЗНЫЕ
ПРОДУКТЫ 
................................................................................................................... 8 
2.1. Производство мочевины .................................................................................... 8 
2.2. Производство метанола из диоксида углерода 
.............................................. 16 
2.3. Диметиловый эфир из углекислого газа 
......................................................... 38 
2.4. Синтез полиуретанов по альтернативным технологиям 
утилизацией СО2 ...................................................................................................... 47 
2.5. Превращение диоксида углерода в топливо .................................................. 56 
Заключение .................................................................................................................. 68 
Библиографический список ....................................................................................... 69 
3 

В В Е Д Е Н И Е
Согласно Федеральному закону от 02.07.2021 г. № 296 «Об ограничении выбросов парниковых газов» в стране назрела необходимость 
государственного учета выбросов парниковых газов, введения целевых 
показателей по их уменьшению, поддержки деятельности по сокращению выбросов.  
В начале 1970-х годов в нашей стране вопросам декарбонизации 
экономики уделялось большое внимание. Так, влияние парникового эффекта на климат планеты рассматривалось в работах советского ученого М. И. Будыко. В 1992 г. была принята рамочная конвенция ООН, 
посвященная проблемам изменения климата, которая была ратифицирована 190 странами, в том числе и Россией [1]. Киотский протокол 
1997 г. содержал принципы мирового углеродного рынка и порядок отчетности по парниковым газам [2]. В 2015 году было принято Парижское соглашение [3], в основу которого положено два принципа: не допустить увеличения средней температуры к 2100 г. на планете более 
чем на 2 °С от доиндустриального уровня и приложить все усилия для 
удержания потепления в пределах 1,5 °С. В ноябре 2020 г. Президент 
РФ подписал Указ «О сокращении выбросов парниковых газов» [4]. 
В 2020 г. Минэкономразвития РФ разработало план по снижению выбросов СО2 до 2050 г. на 36 % по отношению к 1990 г. [5]. 
Проблема увеличения выбросов углекислого газа (CO2) волнует 
весь мир. Как известно, лидером по объемам выбросов является США, 
за ними следуют Китай и Россия [6]. В связи с повышением производительности на предприятиях и выходом с карантина после вспышки коронавируса в 2020 г. объем выбросов вновь стал расти. На 2021 г. количество выбросов увеличилось на 6 % по сравнению с 2020 г. [7]. Снизить количество выбросов углекислого газа – одна из главных целей 
промышленности в мире.  
В России пока не наблюдается активных действий в этом направлении. Только в начале 2021 г. правительство подготовило и внесло 
в Государственную думу законопроект об ограничении выбросов парниковых газов. В настоящее время государственные требования по сокращению выбросов парниковых газов очень фрагментарны (ограничиваются требованиями по сокращению сжигания попутного газа и контроля выбросов метана), при этом отсутствуют правила цено4 

образования на углекислый газ и стандарты по интенсивности выбросов парниковых газов [8]. 
Если человечество производит слишком много углекислого газа, 
вызывая дисбаланс в его естественном круговороте, почему бы не попытаться использовать хотя бы малую часть этого по своей сути безвредного газа для какой-нибудь полезной цели? Это сократит потребление других источников углерода, а «отходы» CO2 можно будет использовать, например, в качестве исходного материала в цепочке поставок химических веществ [9]. 
Когда дело доходит до определения глобальных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается человечество, воздействие изменения климата и необходимость снижения серьезной зависимости от ископаемого топлива рассматриваются как две стороны одной медали. Поиск решений и предложение новых направлений действий – ключевые 
задачи научных и исследовательских сообществ. Одним из примеров такого нового подхода является использование углекислого газа в качестве исходного сырья, что позволит уменьшить зависимость химической 
промышленности от нефти как основного источника, в котором так нуждается химический сектор. Это не только расширяет сырьевую базу химической промышленности, но и снижает потребление нефтяного сырья. Выбросы углерода, соответственно, также будут ниже. 
Рациональное использование сырья, стратегии борьбы с изменением климата и переход от традиционных к возобновляемым источникам энергии – вот три главные задачи нашего времени, и все они решаются с помощью усилий по достижению устойчивого использования 
CO2 в качестве химического сырья. Однако использование СО2 в промышленных цепочках создания стоимости сложны и очень разнообразны. CO2 можно использовать в качестве сырья для большого количества продуктов, таких как пластмассы, транспортное топливо и строительные материалы и др. [9]. 
В монографии описаны технологии переработки углекислого 
газа в ценные химические продукты. 
5 

.  И С П О Л Ь З О В А Н И Е  С О 2
Использование CO2 в качестве материального ресурса подразумевает две области – область физического и область химического использования. Физическое использование CO2 в качестве промышленного газа 
уже хорошо зарекомендовало себя во многих областях. Химическое использование CO2 не является чем-то новым, но в настоящее время появилась возможность применения новых синтетических методов [9]. 
1 . 1 .  Ф и з и ч е с к о е  и с п о л ь з о в а н и е  C O 2
Физическое использование CO2 подразумевает использование всей 
молекулы напрямую, без какого-либо химического преобразования. 
CO2 обладает рядом полезных физических свойств: он негорюч, 
нетоксичен и относительно инертен, имеет легкодоступный сверхкритический режим по сравнению с другими хладагентами. Поэтому 
CO2 нашел применение в качестве хладагента в самых разных процессах. В пищевой промышленности он используется в качестве инертного 
защитного газа для продления срока годности пищевых продуктов, для 
производства газированных напитков и для удаления кофеина из кофе, 
в текстильной промышленности – в качестве чистящего средства. 
CO2 применяется как в качестве топлива, так и в качестве огнетушащего вещества в огнетушителях. Кроме этого, физическое использование CO2 также относится к процессам добычи нефти. Например, закачка CO2 в месторождения природного газа или нефти повышает давление в пласте, тем самым увеличивая количество газа или нефти, которое можно извлечь из месторождения [9]. 
1 . 2 .  Х и м и ч е с к о е  и с п о л ь з о в а н и е  C O 2
Химическое и биотехнологическое использование СО2 предполагает применение его в качестве реагента в химических и биохими6 

ческих реакциях. Спектр продуктов, в которых CO2 может использоваться в качестве реагента или сырья, варьируется от основных химикатов до полимеров, специальных химикатов и синтетического топлива. Разделение продуктов на основе CO2 на химические вещества 
и топливо не всегда однозначно, поскольку некоторые вещества, такие 
как метанол, важны как сырье, так и как топливо.  
На рис. 1.1 показаны продукты, синтезированные на основе CO2 [9]. 
 
Рис. 1.1. Продукция, получаемая при переработке CO2 [10] 
В настоящее время диоксид углерода применяется в индустриальном масштабе в производстве таких химических веществ, как карбамид, 
салициловая кислота, метанол и этиленкарбонат. Ожидается, что 
в 2050 г. объем конверсии углекислого газа в полезные химические продукты и топливо (метанол, метан, диметиловый эфир, продукты синтеза 
Фишера-Тропша) достигнет 0,3–0,6 и 1–4,2 млрд т СО2 в год соответственно. Это составляет 4–14 % от сегодняшнего уровня антропогенных 
выбросов углекислого газа. Улучшение каталитических технологий позволит увеличить энергоэффективность, повысить перечень и снизить 
стоимость процессов превращения СО2 в полезные продукты [10]. 
 
7 

.  М Е Т О Д Ы  П Е Р Е Р А Б О Т К И  У Г Л Е К И С Л О Г О  
Г А З А  В  П О Л Е З Н Ы Е  П Р О Д У К Т Ы  
2 . 1 .  П р о и з в о д с т в о  м о ч е в и н ы  
Использование CO2 в производстве карбамида является перспективным направлением, поскольку карбамид широко применяется в химической промышленности, например в синтезе карбамидоальдегидных смол для производства древесно-волокнистых плит, использующихся в мебельном производстве, и для производства меламина. Кроме 
того, производные мочевины являются эффективными гербицидами. 
Значительная доля карбамида используется для нужд фармацевтической промышленности.  
По своей природе карбамид – это минеральное удобрение, которое используется на всех видах почв, что обеспечивает значительную 
прибавку урожая сельскохозяйственных культур. Карбамид по сравнению с другими азотными удобрениями содержит наибольшее количество азота (46,2 %), что в основном и определяет экономическую целесообразность его использования для многих сельскохозяйственных 
культур на любых почвах. В животноводстве мочевину добавляют 
в корма как заменитель белка, а в медицинской практике ее используют 
как дегидратационное средство. Использование карбамида для очистки 
выбросов теплоэлектроцентралей и мусоросжигательных установок 
в качестве восстановителя оксидов азота является новым многотоннажным направлением. Для достижения соответствия состава выхлопных 
выбросов дизельных двигателей нормам Euro-4 и Euro-5 используется 
раствор карбамида под торговым названием AdBlue. 
Мочевина (карбамид) коммерчески производится путем взаимодействия CO2 с аммиаком при повышенных температуре и давлении 
с помощью реакции Базарова [1] в две стадии: 
2NH3 + CO2 ↔ NH2COONH4 ;                        (2.1) 
NH2COONH4 ↔ NH2CONH2 + H2O.                     (2.2) 
8