По мнению ученых из Пенн Стэйт.
«Двуокись серы может вызвать серьезные экологические проблемы, такие как кислотные дожди, и может вызвать закисление моря», - сказал Сяосин Ван, доцент-исследователь Энергетического института EMS штата Пенсильвания.«Сера также может способствовать образованию мелких твердых частиц в воздухе, которым мы дышим, что может быть более опасным, чем сам диоксид серы».
Воздействие твердых частиц, по оценкам, является причиной 4,2 миллиона преждевременных смертей и более 100 миллионов лет жизни с поправкой на инвалидность, что измеряет годы, потерянные из-за болезни, инвалидности или смерти, согласно исследованию глобального бремени болезней, проведенному журналом Lancet. опубликовано в 2015 году.
По словам Вана, современные методы десульфурации могут успешно удалять диоксид серы из хвостовых газовых потоков, но не лишены существенных недостатков.
Технологии десульфурации дымовых газов, например, являются наиболее используемыми методами улавливания диоксида серы, но эти процессы создают большое количество твердых отходов в виде сульфата металла, который требует утилизации. Кроме того, в результате этих процессов образуются сточные воды, требующие дополнительной очистки, что делает весь метод дорогостоящим и экологически небезопасным.
В качестве альтернативы диоксид серы может быть восстановлен до твердой элементарной серы посредством катализа - химической реакции, вызванной катализатором и обычно восстановителем, таким как водород, метан или монооксид углерода, - а затем использован в качестве сырья для такие вещи, как удобрения. Однако в традиционном каталитическом процессе обычно требуются высокие температуры для достижения высоких уровней конверсии. По мнению ученых, это не идеально, поскольку требует много энергии и приводит к потере каталитической активности.
Из-за этих недостатков Ван и его коллеги протестировали новую технологию, одностадийный низкотемпературный каталитический процесс с использованием плазмы, который устраняет необходимость в высоких температурах и создает гораздо меньше отходов, чем технологии FGD.
Чтобы протестировать этот процесс, команда загрузила катализатор на основе сульфида железа в реактор с уплотненным слоем. Затем они ввели смеси газов водорода и диоксида серы, которые прошли через слой катализатора при температуре примерно 300 градусов по Фаренгейту. Затем они включили нетепловую плазму, и сразу же начались реакции.
После завершения процесса они проанализировали образцы, чтобы определить, сколько диоксида серы содержится в газе и сколько водорода израсходовано. Они также собрали и проанализировали твердую серу, которая скапливается на дне реактора. Они опубликовали свои результаты в ACS Catalysis и в недавнем выпуске Journal of Catalysis.
«Температура, которую мы использовали, 150 градусов по Цельсию (около 300 градусов по Фаренгейту), выше, чем температура плавления серы, чтобы избежать осаждения серы на катализаторе», - сказал Ван. «Благодаря этому процессу катализатор показывает очень отличную стабильность. При работе в течение нескольких часов мы не наблюдаем никакой дезактивации. Активность и селективность остаются прежними».
Исследователи также обнаружили, что этот процесс значительно способствует восстановлению диоксида серы при низких температурах, повышая конверсию на 148-200% и на 87-120% при использовании водорода и метана соответственно.
Шон Кнехт, доцент Школы инженерного дизайна, технологий и профессиональных программ, сказал, что NTP работает, потому что высокоэнергетические электроны взаимодействуют с молекулами газа с образованием реактивных частиц - радикалов, ионов и возбужденных молекул - что позволяет использовать различные химические вещества. реакции при низкой температуре.
«В результате электроны способны инициировать то, что может показаться термодинамически неблагоприятным химическим реакциям посредством диссоциации и возбуждения реагентов при гораздо более низких температурах, чем при термическом катализе», - сказал Кнехт. «Если эти реакции могут быть проведены при гораздо более низких температурах, чем типичные для термического катализа, как мы показали, то потребляемая мощность будущих систем будет значительно снижена, что очень важно».
Ванг добавил, что использование плазмы позволяет им достичь оптимальной производительности, используя всего 10 Вт электроэнергии. Еще одним преимуществом является то, что возобновляемые источники энергии, такие как ветер или солнечная энергия, могут быть легко применены в этом процессе для питания плазмы.
Исследователи теперь хотят лучше понять, как именно плазма способствует процессу катализа, и стремятся разработать еще более эффективный катализатор для этого процесса.
«Текущей проблемой, над решением которой мы работаем, является дальнейшая изоляция эффектов плазмы от эффектов катализатора и синергетических аспектов», - сказал Кнехт. «Мы рассматриваем некоторые варианты спектроскопии поверхности в настоящее время и в какой-то момент в сочетании с вычислительным моделированием. Их объединение может обеспечить более целостное понимание физики и химии в игре».
Если процесс будет коммерциализирован, он может в значительной степени заменить существующие технологии FDG.
«Это очень полезно для энергии и окружающей среды», - сказал Ван. «Наш процесс экономит энергию, сокращает количество отходов и экономит воду. Это очень революционно».
Среди других исследователей были Мохаммад С. Аль-Кахтани, аспирант; Чуньшань Сун, выдающийся почетный профессор Университета штата Пенсильвания и декан факультета естественных наук, а также профессор химии Вэй Лунь Китайского университета Гонконга; Свен Г. Билен, руководитель Школы инженерного дизайна, технологий и профессиональных программ и профессор инженерного дизайна, электротехники и аэрокосмической техники; и Дженнифер Л. Грей, научный сотрудник Института исследования материалов.
Грант Sun Grant Министерства сельского хозяйства США и начальный грант Института энергетики EMS штата Пенсильвания предоставили финансирование для этого исследования.