Sykliset päästöt – Metaanin luominen hiilidioksidista

Uusi prosessi, jonka avulla tutkijat voivat luoda metaania hiilidioksidista, voi mullistaa markkinat, mahdollistaen valmistajille suljetun hiilikiertojärjestelmän luomisen. Prosessi käyttää elektrokemiaa ja kehittyneitä matemaattisia malleja kaapatun CO₂:n suoraan muuntamiseen hyödylliseksi metaanikseksi. Tässä on, mitä sinun tarvitsee tietää.

Hiilidioksidi on haitallinen kasvihuonekaasu, joka on yksi ilmaston lämpenemisen ja muiden ympäristöongelmien pääasiallisista syistä. Tutkijat ovat kehittäneet monia menetelmiä CO2:n ympäristövaikutusten torjumiseksi. Päästöjen vähentämisestä, puhtaan energian edistämisestä ja jopa hiiliverojen luomisesta, tavoitteena on aina ollut vähentää CO2:n haitallisia vaikutuksia.

Hiilidioksidin talteenottojärjestelmät

Hiilen talteenoton käsite on tullut yhä suositummaksi viimeisten viiden vuoden aikana. Nämä järjestelmät poistavat CO2:n ilmakehästä ja varastoivat sen. Insinöörit ovat toteuttaneet tämän tehtävän monin tavoin. Useimmat käyttävät kemiallista reaktiota eristääkseen CO2:n muista kaasuista ja muuntaakseen sen arvokkaita kemikaaleja.

Nämä konseptit ovat osoittautuneet menestyksekkäiksi, mutta ne ovat edelleen varhaisessa kehitysvaiheessa, ja suurin osa on kallista eikä skaalautuvaa. Jotta tämä teknologia voisi olla todella vaikuttava, se täytyy skaalata teollisuustasolle, mikä mahdollistaisi parhaiden tulosten tarjoamisen yhteisölle.

Monivaiheinen prosessi

Toinen merkittävä haaste yleisimmissä hiilen talteenoton muodoissa on, että ne voivat vaatia useita vaiheita. Jokainen vaihe vie aikaa ja edellyttää hyvin tarkkoja prosesseja. Useimmissa tapauksissa ensimmäinen vaihe on CO2:n talteenotto ja kerääminen. Sen jälkeen kukin järjestelmä suorittaa prosessinsa muuntamisen loppuun saattamiseksi. Jokainen kemiallinen reaktio lisää aikaa, monimutkaisuutta ja kokonaiskustannuksia.

Vaaralliset kemikaalit

Monet nykyiset suosituimmat hiilen talteenotto vaihtoehdot markkinoilla perustuvat kemiallisiin reaktioihin. Näillä järjestelmillä on haitallisia sivutuotteita, jotka hieman heikentävät hyötyjä. Vaarallisia kemikaaleja täytyy varastoida, kuljettaa ja hävittää erityisellä tavalla, mikä lisää kaapattua hiiltä kohdistuvaa kustannusta.

Syklisten päästöjen tutkimus

Aikaisempi tutkimus, joka on julkaistu Integroitu hiilidioksidin talteenotto amiinien avulla ja muuntaminen metaaniksi yksiatomisilla nikkelikataleilla¹, tutkii uutta menetelmää, joka vähentää energiavaatimuksia ja voisi olla itsevirtaava. Tutkimus selittää turvallisen menetelmän, jolla CO2 muunnetaan metaaniksi.

Lähde – Journal of the American Chemical Society

Tämä kehitys on merkittävä virstanpylväs, sillä hiilidioksidi on yksi metaanin polttamisen pääasiallisista sivutuotteista. Tutkijat ovat pitkään pyrkineet luomaan suljetun hiilikiertojärjestelmän. Tämä termi viittaa järjestelmään, joka voi hyödyntää sivutuotteitaan toimintansa jatkamiseksi. Erityisesti artikkeli kuvaa, miten he onnistuivat onnistuneesti muuntamaan karbamaatin metaaniksi.

Artikkelissa CO2 kaapattiin amiinipuhdistusliuoksen avulla. Karbamaatti syötettiin sitten nikkelipohjaiseen katalyytin läpi, jossa nikkelikarat olivat järjestetty erityiseen malliin kehittyneiden matemaattisten mallien perusteella.

Syklisten päästöjen testi

Testatakseen, oliko muunto valmis, insinöörit käyttivät erilaisia huippuluokan tutkimusvälineitä, kuten röntgenfotoelektronispektroskopiaa (XPS) ja elektronimikroskopiaa (EM). Nämä laitteet osoittivat, että muunto oli onnistuneesti suoritettu ja CO2 oli muunnettu metaaniksi.

Insinöörit hyödynsivät lähestymistavassaan tiheysfunktionaaliteoria (DFT) -laskelmia. Nämä mallit mahdollistivat paremman ennustamisen kartoittamalla parhaan elektronijärjestelyn ja jakautumisen. Lisäksi insinöörit integroivat laskennallisen vetyelektrodin (CHE) mallin reaktion vapaan energian laskemiseksi. Se oli myös ratkaiseva tarkkojen protoni‑kytkettyjen elektroninsiirtoaskelten määrittämisessä kussakin reaktiossa.

Syklisten päästöjen tulokset

Tulokset osoittivat, että yksiatominen nikkeli (Ni), joka oli hajautettu kullan (Au) pinnalle, tuotti CH4:n pääasiallisena tuotteena. Se osoitti, että tiimi onnistui muuntamaan CO2:n metaaniksi ja seuraamaan prosessin jokaisen vaiheen. Tavoitteena on nyt parantaa tehokkuutta maksimoiden jokaisen suljetun kierroksen energian tuotanto.

Syklisten päästöjen hyödyt

Tämä tutkimus tuo markkinoille useita hyötyjä. Ensinnäkin uusi menetelmä tehostaa karbamaatin talteenottoa ja muuntamista hyödylliseksi tuotteeksi, metaaniksi. Prosessi on nopea eikä tuota haitallisia tai turhia sivutuotteita. Lisäksi se ei vaadi suuria määriä sähköä.

Alhainen energiankulutus

Tutkijoiden mukaan tämä uusi menetelmä tarjoaa mahdollisimman alhaiset energiavaatimukset hiilen talteenottoa ja muuntamista hakeville. Elektrokemialliset reaktiot ovat tehokkaita ja edullisempia kuin vaihtoehdot, ja ne voidaan toteuttaa paikan päällä.

Yhden askeleen prosessi

Toinen hyöty tästä uudesta hiilen talteenotto- ja muuntamismenetelmästä on, että se yhdistää kaikki vaiheet yhdeksi prosessiksi. Erityisesti hiili talletetaan ja muunnetaan yhdessä vaiheessa. Tämä lähestymistapa vähentää monimutkaisuutta, parantaa vakautta ja tarjoaa paljon suurempaa läpinäkyvyyttä.

Tutkijat

Tomaz Neves-Garcia johti Ohio State Universityssa toteutettua tutkimusta. Lisäksi Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li ja Hailiang Wang Yalen yliopistolta on lueteltu tutkimuksen yhteiskirjoittajina. Nyt tiimi pyrkii skaalaamaan prosessiaan palvelemaan teollisuussektoria.

Yritykset, jotka voisivat hyötyä syklisten päästöjen tutkimuksesta

Useat yritykset voisivat parantaa tulostaan, jos ne integroitaisivat tämän tutkimuksen liiketoimintamalleihinsa. Nämä yritykset toimivat jo hiilen talteenotto- tai maakaasuekosysteemissä ja ovat panostaneet runsaasti energiaa ja vaivaa luodakseen ainutlaatuisia tuotteita, jotka palvelevat tätä markkinaa.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Air Products and Chemicals Inc (APD ) perustettiin Detroitissa, Michiganissa, vuonna 1940 paikallisen yrittäjän Leonard Parker Poolin toimesta. Tuolloin yritys keskittyi valmistamaan pieniä generaattoreita toisen maailmansodan aikana. Sodan päätyttyä yritys sitoutui laajentamaan tarjontaansa ja tuotteitaan.

Viimeisten 80 vuoden aikana Air Products and Chemicals Inc. on noussut maailmanlaajuisesti tunnustetuksi kaasuntoimittajaksi. Yrityksellä on elinvoimainen historia Yhdysvalloissa ja kansainvälisillä markkinoilla. Palveluun ja suurten yritysasiakkaiden suuntautuminen on auttanut yritystä saavuttamaan valtavia tuottoja ja laajentamaan toimintaansa.

Air Products and Chemicals Inc. on saanut lukuisia tunnustuksia matkallaan tullakseen yhdeksi suosituimmista vaihtoehdoista valmistajille, jotka etsivät metaanikaasua. Vuonna 2008 se listattiin Dow Jones Sustainability North America -indeksiin huippusuorittavana osakkeena.

Tänä päivänä APD näyttää vahvoja YTD-voittoja useiden tekijöiden, kuten prosessien kehityksen, älykkään liiketoimintajohtamisen ja metaanin käytön kasvun, yhdistelmän ansiosta. Jos APD voisi integroida tämän teknologian liiketoimintamalliinsa, se voisi merkittävästi vähentää valmistuskustannuksia. Tällä hetkellä APD:n markkina-arvo on 73,961 miljardia dollaria, ja se osoittaa positiivista kasvua tänä vuonna.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

Kanadalainen kemiallisten vaikutusten vähentämiseen erikoistunut yritys, Delta CleanTech Inc., astui markkinoille pyrkien parantamaan nykyistä hiilen talteenotto­teknologiaa. Yritys sai nopeasti mainetta ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ja palveluidensa ansiosta. Yritykset voivat hyödyntää Delta CleanTechin asiantuntemusta CO2:n ja muiden haitallisten päästöjen vähentämiseksi.

Yrityksellä on tällä hetkellä useita vaikuttavia tuotteita. Esimerkiksi Delta Reclaimer mahdollistaa liuottimien puhdistamisen yrityksille. Lisäksi yritys tarjoaa tuotteen nimeltä MethanatorRX, joka voi turvallisesti hajottaa metaanin harmittomiksi tuotteiksi. Yritys tarjoaa myös CarbonRX-palvelun, jonka avulla yritykset voivat maksimoida hiilikrediittien käytön.

Muut hiilidioksidin talteenottojärjestelmät, jotka kannattaa tietää

Onneksi Ohio State -tutkijat, jotka ovat syklisten päästöjen tutkimuksen takana, eivät ole ainoita, jotka pyrkivät pelastamaan ympäristöä vähentämällä CO2:ta. Tässä on joitakin muita mielenkiintoisia tapoja, joilla on potentiaalia merkittävästi vähentää CO2-päästöjä tulevaisuudessa.

Elektrokemiallinen reaktori

RICE Universityn johtama insinöörijoukkue esitteli maailman ensimmäisen huoneenlämpöisen suoran ilman hiilen talteenotto -laitteen. Tämä reaktori voi suoraan tallettaa hiiltä ilmasta jättämättä sivutuotteita. Kuten OSU:n tiimi, heidän elektrokemiallinen prosessinsa poistaa amiinipohjaiset sorbitit, kuten natrium- ja kaliumhydroksidin.

Mielenkiintoista on, että tämän prosessin sivutuotteena syntyi vety, toinen erittäin hyödyllinen kemikaali, joka voi voimaannuttaa samat prosessit. Lisäksi lämmön ja lisäkemikaalien poisto parantaa tämän lähestymistavan kestävyyttä ja tekee siitä yleisesti sovellettavan.

Tulevaisuus

Hiilen talteenotto­teknologian tulevaisuus on valoisa. Nämä järjestelmät ovat saaneet huomion taistelussa saastumista vastaan. Tiimin ainutlaatuinen lähestymistapa ja kyky luoda metaania CO2:sta on mullistava monella tasolla. Ensinnäkin se auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin suljettujen kiertojärjestelmien hyödyt ja haitat sekä miten näitä alueita voidaan parantaa suorituskyvyn lisäämiseksi.

Syklisten päästöjen johtopäätös

Täytyy antaa kunnia OSU:n tiimille tämän tutkimuksen takana. Tutkijat ovat haaveilleet hiilikiertojen sulkemisesta tavalla, joka voisi olla hyödyllinen kaikille. Nyt saasteesi voidaan kierrättää takaisin energiaan, ja päästökierto alkaa. Tästä syystä voit odottaa lisääntyvää keskittymistä CO2:n talteenottoon, yhdessä lämpötilan vähentämispolitiikkojen ja -kampanjoiden kanssa.

Tutustu muihin hienoihin ympäristöprojekteihin tänään.

Stud

y Reference:

^{1. Neves-Garcia, T., Hasan, M., Zhu, Q., Li, J., Jiang, Z., Liang, Y., Wang, H., Rossi, L. M., Warburton, R. E., & Baker, L. R. (2024). Integroitu hiilidioksidin talteenotto amiinien avulla ja muuntaminen metaaniksi yksiatomisilla nikkelikataleilla. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}