Исследователи Массачусетского технологического института разработали новую систему, которая потенциально может быть использована для преобразования выбросов двуокиси углерода электростанциями в полезное топливо для автомобилей, грузовиков и самолетов, а также в химическое сырье для широкого спектра продуктов.
Новая мембранная система была разработана постдоком Массачусетского технологического института Сяо-Ю Ву и Ахмедом Гоньемом, профессором машиностроения Рональда Крейна, и описана в статье в журнале ChemSusChem. Мембрана, состоящая из соединения лантана, кальция и оксида железа, позволяет кислороду из потока углекислого газа мигрировать на другую сторону, оставляя позади окись углерода. Другие соединения, известные как смешанные ионные электронные проводники, также рассматриваются в их лаборатории для использования в различных приложениях, включая производство кислорода и водорода.
Угарный газ, полученный в ходе этого процесса, может использоваться в качестве топлива сам по себе или в сочетании с водородом и/или водой для производства многих других жидких углеводородных топлив, а также химических веществ, включая метанол (используемый в качестве автомобильного топлива), синтез-газ, и так далее. Лаборатория Гоньема изучает некоторые из этих вариантов. Этот процесс может стать частью набора технологий, известных как улавливание, использование и хранение углерода, или CCUS, которые, если их применить к производству электроэнергии, могут уменьшить влияние использования ископаемого топлива на глобальное потепление.
Мембрана со структурой, известной как перовскит, является «на 100 процентов селективной по отношению к кислороду», пропуская только эти атомы, объясняет Ву. Разделение происходит при температурах до 990 градусов по Цельсию, и ключом к тому, чтобы заставить процесс работать, является сохранение кислорода, который отделяется от углекислого газа, протекающего через мембрану, пока он не достигнет другой стороны. Этого можно добиться, создав вакуум на стороне мембраны, противоположной потоку углекислого газа, но для его поддержания потребуется много энергии.
Вместо вакуума исследователи используют поток топлива, такого как водород или метан. Эти материалы так легко окисляются, что они фактически протягивают атомы кислорода через мембрану, не требуя перепада давления. Мембрана также предотвращает миграцию кислорода обратно и его рекомбинацию с монооксидом углерода с образованием диоксида углерода снова и снова. В конечном счете, и в зависимости от применения, сочетание некоторого количества вакуума и некоторого количества топлива может быть использовано для снижения энергии, необходимой для управления процессом, и получения полезного продукта.
Энергия, необходимая для поддержания процесса, говорит Ву, - это тепло, которое может быть обеспечено солнечной энергией или отработанным теплом, часть которого может поступать от самой электростанции, а часть - из других источников. По сути, этот процесс позволяет сохранять это тепло в химической форме для использования в любое время. Хранилище химической энергии имеет очень высокую плотность энергии - количество энергии, хранимой для данного веса материала - по сравнению со многими другими формами хранения.
На данный момент, говорит Ву, он и Гоньем продемонстрировали, что процесс работает. Текущие исследования изучают, как увеличить скорость потока кислорода через мембрану, возможно, путем изменения материала, используемого для изготовления мембраны, изменения геометрии поверхностей или добавления каталитических материалов на поверхности. Исследователи также работают над интеграцией мембраны в работающие реакторы и соединением реактора с системой производства топлива. Они изучают, как этот метод может быть расширен и как он сравнивается с другими подходами к улавливанию и преобразованию выбросов углекислого газа с точки зрения как затрат, так и воздействия на общую работу электростанции..
На электростанции, работающей на природном газе, над которой группа Гоньема и другие работали ранее, Ву говорит, что поступающий природный газ можно разделить на два потока, один из которых будет сжигаться для выработки электроэнергии, производя при этом чистый поток углекислого газа., в то время как другой поток пойдет на топливную сторону новой мембранной системы, обеспечивая источник топлива, реагирующего с кислородом. Этот поток будет производить вторую продукцию завода, смесь водорода и монооксида углерода, известную как синтетический газ, который является широко используемым промышленным топливом и сырьем. Синтез-газ также может быть добавлен в существующую сеть распределения природного газа.
Таким образом, метод может не только сократить выбросы парниковых газов; это также могло бы создать еще один потенциальный источник дохода, чтобы помочь покрыть свои расходы.
Процесс может работать при любом уровне концентрации углекислого газа, говорит Ву - они протестировали его от 2 до 99 процентов - но чем выше концентрация, тем эффективнее процесс. Таким образом, он хорошо подходит для концентрированного выходного потока обычных электростанций, работающих на ископаемом топливе, или электростанций, предназначенных для улавливания углерода, таких как кислородно-топливные установки..
Исследование финансировалось Shell Oil и Университетом науки и технологий имени короля Абдуллы.