Производители природного газа хотят извлекать из скважины весь метан, который они могут, при этом изолируя как можно больше углекислого газа, и могут использовать фильтры, которые оптимизируют либо улавливание углерода, либо поток метана. Ни один фильтр не может выполнять обе задачи одновременно, но благодаря ученым из Университета Райса они теперь знают, как точно настроить сорбенты для своих нужд.
Незначительные изменения в производстве углеродного сорбента на полимерной основе делают его самым известным материалом как для улавливания парниковых газов, так и для балансировки улавливания углерода с селективностью по метану, по словам химика из Райса Эндрю Бэррона.
Подробности изложены в статье, опубликованной в этом месяце ученым Бэрроном и Райсом Саунабом Гошем в журнале Королевского химического общества «Устойчивая энергия и топливо».
«Задача состоит в том, чтобы улавливать как можно больше углерода, позволяя метану проходить при типичном устьевом давлении», - сказал Бэррон. «Мы определили параметры на карте, которая дает отрасли лучший набор вариантов на сегодняшний день».
Предыдущая работа лаборатории показала, что угольные фильтры достигли максимальной улавливающей способности с площадью поверхности 2 800 квадратных метров на грамм и объемом пор 1,35 кубических сантиметра на грамм. Они также обнаружили, что лучший материал для улавливания углерода не обеспечивает наилучшего компромисса между селективностью по углероду и метану. По словам Бэррона, в новой работе они знают, как настроить материал для одного или другого.
«Традиционный подход заключался в том, чтобы создавать материалы с постоянно увеличивающимся объемом пор и связывать это с лучшим адсорбентом; однако, он кажется немного более тонким», - сказал он.
Лаборатория изготовила свои последние фильтры, нагревая прекурсор полимера, а затем обрабатывая его химически активирующим реагентом из калия, кислорода и водорода, также известным как KOH. Когда полимер спекается с КОН при температуре более 500 градусов Цельсия (932 градуса по Фаренгейту), он становится очень пористым фильтром, полным наноразмерных каналов, которые могут улавливать углерод.
Соотношение КОН и полимера во время обработки оказалось решающим фактором в определении характеристик конечного фильтра. Изготовление фильтров с соотношением КОН и полимера 3:1 дало ему площадь поверхности 2700 квадратных метров на грамм и максимальное поглощение углекислого газа при давлении от 5 до 30 бар. (Один бар немного меньше среднего атмосферного давления на уровне моря.)
Фильтры, изготовленные с соотношением КОН и полимера 2:1, имели меньшую площадь поверхности - 2 200 квадратных метров на грамм - и меньший объем пор. Это привело к оптимальному сочетанию поглощения углекислого газа и селективности по метану.
Размер пор также имел решающее значение. Фильтры с максимальным поглощением углерода имели наибольшую долю пор размером менее 2 нанометров. Большие поры были лучше для селективности по метану.
«Похоже, что общий объем пор менее важен, чем относительное количество пор определенного размера», - сказал Бэррон. «Наша цель состояла в том, чтобы создать руководство для исследователей и промышленности по разработке лучших материалов.
"Эти материалы могут быть использованы не только для выделения углекислого газа из природного газа, но также являются моделями связывания углекислого газа в природных ресурсах. Это будущее направление наших исследований."