Метод компьютерного моделирования, разработанный в Swanson School of Engineering Университета Питтсбурга, может помочь ускорить идентификацию и разработку новых материалов для улавливания и хранения углерода для использования на национальных угольных электростанциях. Гипотетические мембраны со смешанной матрицей обеспечат более экономичное решение, чем существующие методы, с прогнозируемой стоимостью менее 50 долларов за тонну удаленного диоксида углерода (CO2)..
Исследовательская группа, возглавляемая Кристофером Уилмером, доцентом кафедры химической и нефтяной инженерии, в сотрудничестве с соисследователем Яном Стеккелем, научным сотрудником Университета США. Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США и AECOM из Питтсбурга опубликовали свои выводы в журнале Королевского химического общества Energy & Environment Science.
«Полимерные мембраны десятилетиями использовались для фильтрации и очистки материалов, но их использование для улавливания и хранения углерода ограничено», - отмечает доктор Уилмер, руководитель лаборатории гипотетических материалов в Swanson School. «Мембраны со смешанной матрицей, которые представляют собой полимерные мембраны с небольшими неорганическими частицами, диспергированными в материале, демонстрируют исключительные перспективы из-за их свойств разделения и проницаемости. Однако количество потенциальных полимеров и неорганических частиц является значительным, поэтому поиск наилучшей комбинации для улавливание углерода может быть сложной задачей».
По словам доктора Уилмера, исследователи основывались на своих обширных исследованиях металлоорганических каркасов (MOF), которые представляют собой высокопористые кристаллические материалы, созданные путем самосборки неорганического металла с органическими линкерами. Эти MOF, которые могут хранить больший объем газов, чем традиционные резервуары, очень универсальны и могут быть изготовлены из различных материалов и спроектированы по индивидуальному заказу с особыми свойствами.
Доктор. Уилмер и его группа изучили существующие базы данных гипотетических и реальных MOF для своих исследований, в результате чего было создано более миллиона потенциальных мембран со смешанной матрицей. Затем они сравнили прогнозируемую газопроницаемость каждого материала с опубликованными данными и оценили их на основе трехэтапного процесса улавливания. Такие переменные, как скорость потока, фракция улавливания, условия давления и температуры, были оптимизированы в зависимости от свойств мембраны с целью определения конкретных мембран со смешанной матрицей, которые обеспечат доступную стоимость улавливания углерода. Потенциальные последствия для исследования группы Уилмера огромны. Хотя угольные электростанции только в США в настоящее время составляют лишь 30 процентов энергетического портфеля страны, в 2017 году они произвели наибольшую долю в 1 207 миллионов метрических тонн CO2, или 69 процентов от общего количества У. S. связанные с энергетикой выбросы CO2 всем электроэнергетическим сектором США. (Источник: Управление энергетической информации США.)
«Наше компьютерное моделирование как гипотетических, так и реальных MOF привело к созданию новой базы данных, содержащей более миллиона смешанных матричных мембран с соответствующими показателями улавливания CO2 и связанными с этим затратами», - д-р - сказал Уилмер. «Дальнейший технико-экономический анализ дал 1 153 мембраны со смешанной матрицей со стоимостью улавливания углерода менее 50 долларов за тонну удаленного газа. Таким образом, существует потенциал для создания экономически доступных и эффективных средств CO2улавливание на угольных электростанциях по всему миру и эффективное устранение значительного источника выброса углекислого газа в атмосферу, образующегося в результате сжигания ископаемого топлива».