Ученые и исследователи по всему миру неустанно изучают методы утилизации углекислого газа из атмосферы или выбросов электростанций и преобразования его в ценный ресурс. В рамках этих усилий инженеры из Массачусетского технологического института и Гарварда преобразовали CO2 в эффективное топливо, способное заменить ископаемое топливо в различных областях применения. Ранее применявшиеся методы преобразования сталкивались с такими проблемами, как низкая углеродная эффективность и производство опасного топлива. Ожидается, что новый процесс будет более эффективным в больших масштабах.
Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета совершили значительный прорыв, создав эффективный процесс , способный преобразовывать углекислый газ в формиат. Это замечательное достижение открывает возможности для использования формиата в качестве универсального материала в жидкой или твердой форме, который можно использовать подобно метанолу или водороду для питания электролитов и выработки электроэнергии.
Новый процесс разработан группой докторантов Массачусетского технологического института (MIT) в составе Александра Х. Куинна , Чжэнь Чжана и Чжичу Рена , а также студентом Гарвардского университета Давэем Си и профессором MIT Цзю Ли.
Формиат натрия, или, как его обычно называют, калий, уже производится в промышленных масштабах. Чаще всего его используют в качестве противогололедного средства для тротуаров и дорог. Он негорюч и нетоксичен, к тому же его легко хранить и транспортировать. Более того, он способен сохранять стабильность в обычных стальных резервуарах, откуда его можно использовать в течение нескольких месяцев. Иногда это вещество используется даже спустя годы после его производства.
О процессе
Весь процесс сводится к улавливанию и электрохимическому преобразованию газа в твердый формиатный порошок. В лабораторных условиях, в небольших масштабах, команда продемонстрировала процесс, в ходе которого этот порошок был перенесен в топливный элемент для выработки электроэнергии.
По словам профессора Ли, другие подходы к преобразованию углекислого газа в топливо включают двухэтапный процесс. К ним относятся:
- Чтобы захватить и преобразовать газ в карбонат кальция, твердую форму. Затем материал нагревается и в этом процессе удаляется углекислый газ. После этого он преобразуется в топливное сырье, такое как оксид углерода.
- Второй этап не очень эффективен. Обычно он преобразует менее 20% газообразного диоксида углерода в желаемый продукт.
Улавливание и преобразование углерода — это процесс, который начинается с улавливания углекислого газа с помощью щелочного раствора. Этот раствор концентрирует углекислый газ из различных источников, таких как электростанции или даже воздух, в жидкую форму бикарбоната металла.
С помощью электролизера с катионообменной мембраной бикарбонат электрохимически преобразуется в твердые кристаллы формиата. Эффективность использования углерода, превышающая 96 процентов, была подтверждена в ходе тщательных лабораторных экспериментов, проведенных командой.
По словам профессора Ли, кристаллы не портятся и могут храниться много лет без каких-либо потерь. В отличие от них, даже лучшие из существующих резервуаров для хранения водорода пропускают газ со скоростью около 1% в день. Это делает невозможным их использование для длительного хранения.
См. также : Все о преимуществах топливных элементов
Высокая конверсия
В отличие от предыдущих методов, новый процесс обеспечивает степень конверсии более 90 процентов , превосходя предыдущий. Кроме того, он исключает необходимость в неэффективном этапе нагрева, преобразуя диоксид углерода в высокоэффективную промежуточную форму, известную как жидкий бикарбонат металла.
Затем полученная жидкость преобразуется в жидкий формиат калия или натрия посредством электрохимического превращения в электролизере, работающем на низкоуглеродной электроэнергии, например, атомной, ветровой или солнечной.
Различные формы формиата
По словам профессора Ли, высококонцентрированный раствор формиата калия или натрия можно впоследствии высушить, получив твердый порошок. Этот процесс может быть осуществлен с помощью таких методов, как солнечное испарение . Полученный порошок исключительно стабилен и может безопасно храниться в стандартных стальных резервуарах в течение длительного времени, на протяжении многих лет или даже десятилетий.
Инженеры из Массачусетского технологического института и Гарварда преобразовали CO2 в эффективное топливо, и успех этого процесса вдохновил исследователей на его масштабирование, чтобы он мог производить тепло без выбросов, а также обеспечивать электроэнергией отдельные дома. Кроме того, его можно использовать в электросетях или в промышленности.
По словам профессора Ли, разработка группой многочисленных методов оптимизации сыграла решающую роль в преобразовании неэффективного процесса химического преобразования в жизнеспособное решение. Профессор Ли, занимающий должности в обоих департаментах: ядерной науки и техники и материаловедения и техники, подчеркивает значительное влияние, достигнутое благодаря этим этапам оптимизации.
Впоследствии, при необходимости, твердый порошок будет смешан с водой и помещен в топливный элемент для выработки электроэнергии и тепла. «Это пока демонстрация для населения или домохозяйств, но мы считаем, что в будущем это может пригодиться и на заводах или в энергосистемах», — сказал Чжан.
В то время как метанол является токсичным веществом, представляющим проблемы с точки зрения безопасности, формиат выступает в качестве жизнеспособной и более безопасной альтернативы для преобразования углекислого газа в топливо, пригодное для топливных элементов. Национальные стандарты безопасности признают формиат широко используемым и безвредным вариантом , обеспечивающим надежное решение, не ставящее под угрозу благополучие людей в случае потенциальной утечки.
См. также : От отходов к топливу: реактор на солнечной энергии преобразует CO2 и пластик в экологически чистое топливо
Шаги, ведущие к успеху
Эффективность этого процесса значительно возросла благодаря ряду усовершенствований.
- Во-первых, продуманная конструкция мембранных материалов и их расположение решили проблему, с которой сталкивались предыдущие попытки создания подобной системы.
- В этих случаях накопление определенных химических побочных продуктов может изменить pH, что со временем приведет к постепенному снижению эффективности.
Чжан говорит: «Традиционно сложно добиться долговременной, стабильной и непрерывной конверсии сырья. Ключ к нашей системе — достижение баланса pH для стабильной конверсии».
Для достижения этой цели исследователи провели термодинамическое моделирование, чтобы разработать новый процесс, поддерживающий химическое равновесие и стабильный pH без каких-либо колебаний кислотности. Благодаря этому система может работать с оптимальной эффективностью в течение длительного времени.
Система тестировалась более 200 часов , и выходная мощность существенно не снизилась. Процесс может проводиться при температуре окружающей среды и относительно низком давлении, примерно в пять раз превышающем атмосферное.
Дополнительной проблемой было производство химических побочных продуктов, которые были бесполезны из-за нежелательных побочных реакций. Однако команда решила эту проблему, внедрив дополнительный слой, изготовленный из стекловолоконной ваты, обогащенной бикарбонатом, который предотвратил эти реакции.
Кроме того, команда разработала топливный элемент , специально предназначенный для эффективного использования этого формиатного топлива для выработки электроэнергии. Хранимые частицы формиата легко растворяются в воде, а затем беспрепятственно впрыскиваются в топливный элемент по мере необходимости.
По словам Ли, хотя твердое топливо значительно тяжелее чистого водорода, если учесть вес и размеры газовых резервуаров высокого давления, необходимых для хранения водорода, общий результат — это практически одинаковая выработка электроэнергии при заданном объеме хранения.
Различные потенциальные применения формиата
По словам исследователей, формиатное топливо потенциально может быть адаптировано для широкого спектра целей, от небольших бытовых установок до крупных промышленных применений или систем хранения энергии в масштабах энергосети. На бытовом уровне электролизер размером с холодильник может использоваться для улавливания и преобразования углекислого газа в формиат, который затем можно хранить в подземном или расположенном на крыше резервуаре.
Инженеры из Массачусетского технологического института и Гарварда преобразовали CO2 в эффективное топливо, а профессор химии и электротехники и вычислительной техники Северо-Западного университета Тед Сарджент , не принимавший участия в этом исследовании, сказал: «Экономика формиата — это интригующая концепция, поскольку соли формиатов металлов очень безвредны и стабильны, а также являются убедительным энергоносителем. Авторы продемонстрировали повышенную эффективность жидкостно-жидкостного преобразования бикарбонатного сырья в формиат и показали, что это топливо может быть впоследствии использовано для производства электроэнергии».
Источник : Инженеры разработали эффективный процесс производства топлива из углекислого газа.
