Döngüsel Emisyonlar – Karbondioksitten Metan Üretimi

Karbondioksiti metana dönüştürmeye yönelik yeni bir elektrokimyasal süreç, yakalanan karbonun yeniden kullanılmasına katkı sağlayabilir. Araştırma, amin çözeltisinde yakalanmış CO₂‘yi doğrudan faydalı metana dönüştürür. İşte bilmeniz gerekenler.

Karbon Yakalama Sistemleri

Karbon yakalama, karbondioksitin baca gazı gibi kaynaklardan veya doğrudan havadan ayrılmasını kapsar. Yakalanan CO2 depolanabilir ya da başka kimyasalların üretiminde kullanılabilir. Yakalama, depolama ve dönüştürme birbirinden farklı aşamalardır.

Bazı karbon yakalama yöntemleri ticari ölçekte kullanılırken yeni yöntemlerin çoğu geliştirme aşamasındadır. Maliyet, enerji tüketimi ve ölçeklenebilirlik, yönteme göre değişen önemli zorluklardır.

Çok Aşamalı Süreç

Geleneksel bir yakalama ve dönüştürme zincirinde CO2 önce tutulabilir, ardından çözeltiden ayrılıp saflaştırılarak dönüşüm reaktörüne gönderilebilir. Bu aşamalar enerji ve ekipman gerektirir. Entegre yaklaşımlar, ara aşamaların bir bölümünü azaltmayı amaçlar.

Tehlikeli Kimyasallar

Bazı yakalama çözeltileri aşındırıcı olabilir veya kullanım sırasında bozunma ürünleri oluşturabilir. Kimyasal seçimi, iş güvenliği, geri kazanım ve atık yönetimi önemlidir. Bu durum tüm yakalama yöntemlerinin aynı zararlı yan ürünleri ürettiği anlamına gelmez.

Entegre karbon yakalama ve dönüştürme çalışması

Journal of the American Chemical Society’de yakın zamanda yayımlanan “Aminlerle Entegre Karbondioksit Yakalama ve Tek Atomlu Nikel Katalizörler Üzerinde Metana Dönüştürme”¹ başlıklı çalışma, aminlerde yakalanmış CO2’nin doğrudan elektrokimyasal olarak metana dönüştürülmesini inceliyor. Süreç dışarıdan elektrik gerektirir; kendi kendine enerji üreten bir döngü değildir.

Kaynak – Amerikan Kimya Derneği Dergisi

Metan yakıldığında CO2 oluşur. Bu karbonun yeniden yakalanıp yakıta dönüştürülmesi karbonun dolaşımını sağlayabilir, fakat yakıtın yeniden üretilmesi için enerji gerekir. Çalışma, yakalama çözeltisindeki karbamatın metana dönüştürülmesine odaklanır.

CO2, amin içeren bir çözeltide karbamat olarak tutuldu. Araştırmacılar farklı elektrot yüzeylerine atomik ölçekte dağılmış nikel yerleştirdi ve bu katalizörlerin dönüşüm performansını inceledi. Hesaplamalı modeller, mekanizmayı anlamak için kullanıldı; nikel atomlarının matematiksel bir modele göre fiziksel olarak dizildiği anlamına gelmez.

Deneyler ve karakterizasyon

X-ışını fotoelektron spektroskopisi ve elektron mikroskopisi gibi yöntemler katalizörün bileşimini ve yapısını incelemek için kullanıldı. Bu ölçümler tek başına metan oluşumunu veya tüm CO2’nin dönüştüğünü göstermez; ürün analizi ve elektrokimyasal ölçümler de gerekir.

Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesaplamaları, olası reaksiyon yollarını ve enerjilerini değerlendirmek için kullanıldı. Hesaplamalı hidrojen elektrodu (CHE) yaklaşımı da proton ve elektron aktarımı içeren adımların serbest enerjilerinin modellenmesine yardımcı oldu. Bunlar deneylerin yorumlanmasını destekleyen modellerdir.

Araştırma sonuçları

Altın yüzeyi üzerine atomik olarak dağılmış nikel içeren katalizörlerde metan ana karbon ürünü olarak elde edildi. Sonuç, yakalanan CO2’nin doğrudan dönüştürülmesi için umut verici bir yol gösteriyor. Endüstriyel kullanım için verim, dayanıklılık ve toplam enerji tüketiminin geliştirilmesi gerekiyor.

Olası avantajlar

Yöntem, aminlerde tutulan CO2’yi önce ayrı bir gaz akımı olarak açığa çıkarmadan dönüştürebilir. Böylece bazı ara işlemlerin enerji ve ekipman gereksinimi azaltılabilir. Bu, hiç yan ürün oluşmadığı veya elektrik tüketilmediği anlamına gelmez.

Enerji gereksinimini azaltma potansiyeli

Entegre dönüşüm, yakalama çözeltisinin geleneksel yollarla yenilenmesine kıyasla bazı enerji gereksinimlerini azaltmayı hedefler. Tüm sistem için en düşük maliyetli veya en düşük enerjili çözüm olduğu ise ölçek ve koşullar değerlendirilmeden söylenemez.

Yakalama ile dönüşümü birleştirmek

Buradaki doğrudan dönüşüm, yakalanmış karbonun çözeltiden ayrı CO2 olarak çıkarılmasına duyulan ihtiyacı azaltır. Yakalama, elektrokimyasal dönüşüm, ürün ayırma ve çözeltinin yönetimi yine dikkate alınması gereken işlemlerdir.

Araştırmacılar

Çalışmanın ilk yazarı Tomaz Neves-Garcia’dır. Ortak yazarlar arasında Mahmudul Hasan, Quansong Zhu, Jing Li, Zhan Jiang, Yongye Liang, Hailiang Wang, Liane M. Rossi, Robert E. Warburton ve L. Robert Baker bulunur. Ekip Ohio State, Yale, São Paulo, Case Western Reserve ve Southern University of Science and Technology üniversitelerinden araştırmacıları içerir.

İlgili sektörlerde çalışan şirketler

Aşağıdaki şirketler endüstriyel gazlar veya emisyon yönetimi alanlarında faaliyet gösterir. Çalışma, bu şirketlerin yöntemi benimsediğini veya bunun kârlarını artıracağını göstermiyor.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Air Products and Chemicals Inc (APD ), Leonard Parker Pool tarafından 1940’ta Detroit’te kuruldu. İlk faaliyetleri arasında sahada oksijen üretmeye yönelik jeneratörler vardı. Buradaki jeneratör elektrik üreticisi değil, gaz üretim ekipmanıdır.

Şirket zamanla küresel bir endüstriyel gaz ve ekipman tedarikçisi haline geldi. Müşterileri farklı sanayi kollarında faaliyet gösterir.

Air Products’ın sürdürülebilirlik endekslerinde yer alması, çevresel, sosyal ve yönetişim ölçütleri açısından değerlendirilmesiyle ilgilidir. Böyle bir endekse dahil edilmek, hisse getirisinde en yüksek performansı gösterdiği anlamına gelmez.

Makalede 2024 için Air Products’ın piyasa değeri yaklaşık 73,961 milyar dolar olarak verilmişti. Piyasa değeri ve yılbaşından itibaren getiriler tarihe bağlıdır. Yeni bir araştırmanın şirkete sağlayacağı ekonomik fayda, benimsenmesine ve ticari ölçekteki sonuçlarına bağlı olacaktır.

Delta CleanTech Inc. Kanada merkezli şirket

Delta CleanTech Inc., 2024’te karbon yakalama ve emisyon azaltma çözümleri geliştiriyordu. Çözümleri, işletmelerin proseslerine ve emisyon kaynaklarına göre değerlendirilmektedir.

Şirketin Delta Reclaimer çözümleri çözücü geri kazanımıyla ilgilidir. Methanator RX ise metan emisyonlarını azaltmayı hedefleyen bir teknolojidir; metanı CO2’ye dönüştürmek, onu bütünüyle zararsız bir maddeye dönüştürmek değildir. Carbon RX faaliyetleri de karbon kredilerinin geliştirilmesi ve yönetimiyle ilişkilidir.

Bilmeniz Gereken Diğer Karbon Yakalama Sistemleri

Karbon yakalama ve kullanım üzerine farklı araştırmalar yürütülüyor. Bunlardan biri de Rice Üniversitesi ekibinin geliştirdiği elektrokimyasal reaktördür.

Elektrokimyasal reaktör

Rice Üniversitesi araştırmacıları, doğrudan hava yakalamanın enerji tüketimini azaltmayı amaçlayan bir elektrokimyasal reaktör geliştirdi. Sodyum ve potasyum hidroksit amin veya amonyak değildir; inorganik bazlardır. Yeni yaklaşım, yakalama sıvısının elektrokimyasal olarak yenilenmesini ve CO2’nin ayrılmasını destekler.

Bu sistemde hidrojenin birlikte üretilebilmesi, sonraki yakıt veya kimyasal üretim süreçleriyle entegrasyon için fırsat sunabilir. Ancak reaktör elektrik tüketir; hidrojenin elde edilmesi sistemi kendiliğinden enerji sağlayan bir düzenek yapmaz. Uygulanabilirlik süreç koşullarına bağlıdır.

Gelecek

Karbon yakalama ve dönüştürme teknolojileri, bazı sektörlerde emisyon azaltımını destekleyebilir. Bu çalışmanın katkısı, aminlerde yakalanmış CO2’nin metana doğrudan dönüşümünü göstermesidir. Daha geniş etkiyi değerlendirmek için enerji kaynağı, malzeme kullanımı ve ölçeklenebilirlik birlikte incelenmelidir.

Sonuç

Araştırma, yakalanan karbonun yeniden yakıt üretiminde kullanılmasına yönelik bir yol sunuyor. Metanın sonraki kullanımında oluşacak CO2 ve olası metan kaçakları da hesaba katılmalıdır. Düşük karbonlu elektrikle desteklenen verimli sistemler yararlı olabilir; karbonun yeniden kullanılması tek başına kalıcı karbon giderimi değildir.

Diğer çevre projelerini buradaninceleyin.

Çalışma Referansı:

^{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). Integrated carbon dioxide capture by amines and conversion to methane on single-atom nickel catalysts. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}