211service.com
Lepszy sposób na wychwytywanie dwutlenku węgla
Naukowcy opracowali porowate materiały, które mogą wchłonąć 80-krotnie większą objętość dwutlenku węgla, oferując kuszącą możliwość, że gaz cieplarniany można tanio usunąć z kominów elektrowni. Gdy dwutlenek węgla zostanie wchłonięty przez nowe materiały, może zostać uwolniony poprzez zmiany ciśnienia, skompresowany, a na koniec wpompowany pod ziemię w celu długoterminowego przechowywania.
Kryształy wychwytujące węgiel: Jest to mikrografia optyczna nowego materiału, który może wyciągać dwutlenek węgla ze strumienia gazów, umożliwiając sekwestrację gazu cieplarnianego.
Takie wychwytywanie i sekwestracja dwutlenku węgla może mieć zasadnicze znaczenie dla zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych, zwłaszcza w krajach takich jak Stany Zjednoczone, które są w dużym stopniu uzależnione od węgla w produkcji energii elektrycznej. Szczególnie ważny jest pierwszy etap, wychwytywanie węgla, ponieważ może on stanowić 75 procent całkowitych kosztów, według Departamentu Energii .
Nowe materiały, opisane w tym tygodniu w Nauka , zostały stworzone przez naukowców z UCLA kierowanych przez Omar Yaghi , chemik znany z wytwarzania materiałów o skomplikowanych mikroskopijnych strukturach. Pochłaniają duże ilości dwutlenku węgla, ale nie pochłaniają innych gazów.
Jak mówi Yaghi, istnieją już techniki wychwytywania dwutlenku węgla z kominów, ale zużywają one duże ilości energii – od 15 do 20 procent całkowitej energii elektrycznej elektrowni. Dzieje się tak, ponieważ istniejące materiały, znane jako aminy, muszą zostać podgrzane, aby uwolnić pochłonięty przez nie dwutlenek węgla. Rzeczywiście, wychwytywanie i sprężanie dwutlenku węgla tymi istniejącymi metodami może zwiększyć od 80 do 90 procent kosztów produkcji energii elektrycznej z węgla, mówi Thomas Feeley, kierownik projektu w Narodowe Laboratorium Technologii Energetycznych .
Feeley mówi, że materiały Yaghi wypadają korzystnie w porównaniu z innymi eksperymentalnymi materiałami pochłaniającymi dwutlenek węgla, które są opracowywane w celu obniżenia tych kosztów. Yaghi mówi, że jego materiały mogą znacznie obniżyć koszty, ponieważ zużywają mniej energii, chociaż dokładnie ile będzie wymagało przetestowania materiałów w elektrowniach.
Poza tym, że są potencjalnie przydatne w kominach, materiały te mogą być stosowane w zakładach zgazowania węgla. W tych zakładach węgiel jest najpierw przetwarzany na mieszankę dwutlenku węgla i wodoru. Wodór jest następnie wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej. Dwutlenek węgla można wychwycić przy użyciu rozpuszczalnika, który zwiększa zużycie energii. Ale podobnie jak w procesie opartym na kominie, nowe materiały UCLA mogą wymagać mniej energii.
Materiały należą do klasy zwanej zeolitowymi szkieletami imidazolowymi (ZIF). Są zbudowane z atomów metali połączonych mostkiem przez jedną z wielu organicznych cząsteczek w kształcie pierścienia zwanych imidazolami. Przed badaniami Yaghiego w ciągu 12 lat opracowano 24 typy ZIF. Yaghi stworzył 25 nowych wersji w ciągu zaledwie trzech miesięcy. Materiały te mogą być niezwykle wszechstronne, ponieważ atomy metali mogą działać jak potężne katalizatory, a cząsteczki organiczne mogą służyć jako kotwice dla wielu cząsteczek funkcjonalnych.
Proliferacja ZIF: Nowe zautomatyzowane techniki umożliwiają naukowcom szybką syntezę dziesiątek nowych materiałów zwanych zeolitowymi strukturami imidazolowymi (ZIF). Źródło: Omar Yaghi
Nowe materiały częściowo pochłaniają dwutlenek węgla, ponieważ są niezwykle porowate, co zapewnia im dużą powierzchnię, która może wchodzić w kontakt z cząsteczkami dwutlenku węgla. Najbardziej porowaty z materiałów, w których raportuje Yaghi Nauka zawierają prawie 2000 metrów kwadratowych powierzchni zapakowanej w jeden gram materiału. Jeden litr jednego z materiałów Yaghiego może pomieścić wszystkie cząsteczki dwutlenku węgla, które w temperaturze zerowej °C i przy ciśnieniu otoczenia zajęłyby objętość 82,6 litra.
Chociaż dokładne mechanizmy nie są w pełni zrozumiałe, Yaghi uważa, że lekko ujemny ładunek cząsteczek organicznych w jego materiale przyciąga cząsteczki dwutlenku węgla, które mają lekko dodatni ładunek. W rezultacie dwutlenek węgla jest utrzymywany na miejscu, podczas gdy inne gazy przechodzą przez materiał. Ta metoda wychwytywania dwutlenku węgla jest lepsza niż niektóre inne, ponieważ nie zawiera silnych wiązań kowalencyjnych, więc uwolnienie gazu nie wymaga dużo energii.
Kolejnym krokiem dla materiałów jest komercjalizacja. Oznacza to zwiększenie produkcji i włączenie materiałów do systemu w elektrowni, na przykład poprzez pakowanie materiałów do kanistrów, które można wypełnić sprężonymi gazami spalinowymi – coś, co według grupy UCLA może być możliwe w ciągu dwóch do trzech lat. Yaghi szacuje, że materiały te można z łatwością wytwarzać w dużych ilościach, ponieważ są one podobne do innych materiałów, które opracował, a które można teraz wytwarzać w tonach BASF , gigantyczna firma chemiczna. Teraz jest w rękach przemysłu, mówi Yaghi. Opracował zautomatyzowane techniki, które mogą prowadzić do większej liczby materiałów o jeszcze lepszych właściwościach.