Amerikan Kimya Derneği’nin yakın zamanda seçilmiş bir üyesi olan ve Washington Eyalet Üniversitesi ile ortak bir randevusu olan kimyager Dave Heldebrant, karbondioksit moleküllerini Dünya atmosferine ulaşmadan önce ustalıkla yakalayabilen birkaç solventin tasarlanmasına yardımcı oldu. Kredi: Andrea Starr tarafından fotoğraf | Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı
PNNL’deki bilim adamları, karbonu geri dönüştürme yoluyla karbon yakalama için karlı bir rota çiziyor, karbondan arındırma sürecinde çok önemli bir adımın kilidini açıyor ve net sıfır emisyona ulaşmaya yaklaşıyor.{8 }
Karbondioksiti yakalayabilen, ortadan kaldırabilen ve geri dönüştürebilen teknoloji gereksinimi, Dünya atmosferine giren her ek CO2 molekülüyle birlikte daha da artıyor. Enerji Bakanlığı’nın bir parçası olan Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, bu ihtiyacı karşılamak için karbon yakalamayı daha erişilebilir ve uygun maliyetli hale getirme çabalarında büyük bir atılım gerçekleştirdiler. Bugüne kadarki en uygun maliyetli olan CO2’yi etkili bir şekilde yakalayan ve onu dünyanın en yaygın kullanılan kimyasallarından biri olan metanole dönüştüren yeni bir sistem geliştirdiler.
CO2’nin atmosfere girmesini önlemek, emisyonları azaltmanın çok önemli bir yönüdür. küresel ısınma. Ancak bu gerçekleşmeden önce, başlıca yayıcıların karbon yakalama teknolojisini benimsemeleri için teşvikler sağlamak önemlidir. Ticari yakalama teknolojisinin fahiş maliyeti, yaygın olarak benimsenmesinin önünde kalıcı bir engel olmuştur.
PNNL bilim adamları, metanolün bu teşviki sağlayabileceğine inanıyor. Yakıt, solvent ve plastik, boya, inşaat malzemeleri ve araba parçalarında önemli bir bileşen olarak birçok kullanım alanına sahiptir. CO2’yi metanol gibi faydalı maddelere dönüştürmek, endüstriyel kuruluşlara karbonlarını yakalayıp yeniden kullanmaları için bir yol sunar.
Yalnızca bir gömme dolap kadar yer kaplayan yeni bir karbon yakalama ve dönüşüm sistemi, karbondioksit açısından zengin gazdan karbondioksiti uzaklaştırmada basit ve verimlidir. Bu çeker ocakta sol tarafta, “duman” karbon tutucu bir çözücü ile temas ettiği silindirik bir kap içerisinde hareket eder. Bu çözücü kimyasal olarak karbondioksite bağlanır ve sağda metanole dönüştürülür. Kredi: Fotoğraf Eric Francavilla tarafından | Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı
Yeni teknolojinin arkasındaki araştırma ekibine liderlik eden PNNL kimyageri David Heldebrant, sistemi geri dönüşümle karşılaştırıyor. Tek kullanımlık ve geri dönüştürülebilir malzemeler arasında seçim yapılabileceği gibi, karbon da geri dönüştürülebilir.
“Aslında burada yapmaya çalıştığımız şey bu,” dedi Heldebrant. “Bu kimyasalları yapmak için yerden petrol çıkarmak yerine, bunu atmosferden veya kömür santrallerinden yakalanan CO2’den yapmaya çalışıyoruz, böylece yararlı şeylere dönüştürülebilir. Karbonu canlı tutuyorsunuz, tabiri caizse, bu sadece ‘yerden çekip bir kez kullanıp atın’ demek değil. cam, alüminyum ve plastik.”
Advanced Energy Materials dergisinde açıklandığı gibi, yeni sistem kömür, gaz veya biyokütle yakıtlı enerji santrallerine uyacak şekilde tasarlanmıştır; yanı sıra çimento fırınları ve çelik fabrikaları. Sistem, PNNL tarafından geliştirilmiş bir yakalama solventi kullanarak, CO2 moleküllerini yayılmadan önce yakalar ve ardından bunları yararlı, satılabilir maddelere dönüştürür.
Karbonun oluşması için uzun bir domino sırasının düşmesi gerekir. tamamen kaldırılmalı veya Dünya atmosferine girmesi tamamen engellenmelidir. Bu çaba (yakalama ve dönüştürme teknolojisini dünyaya yayma) ilk birkaç önemli aşamayı temsil ediyor.
Bu teknolojinin kullanılması emisyonları azaltacaktır, dedi Heldebrant. Ancak, diğer karbon yakalama teknolojilerinin gelişimini harekete geçirmeye ve CO2 içeren malzemeler için bir pazar oluşturmaya da yardımcı olabilir. Böyle bir pazarın mevcut olmasıyla, doğrudan hava yakalama teknolojileri tarafından tutulan karbon daha uzun ömürlü malzemelere dönüştürülebilir.
Kimya mühendisi Yuan Jiang, yeni bir karbon yakalamanın işletme maliyetlerini analiz etti ve dönüşüm sistemi, işi metrik ton karbondioksit başına yaklaşık 39 $ karşılığında yapabileceğini bulmak.Özetlenen emisyon sınırlayıcı önlemler arasında, karbon yakalama ve depolama, özellikle çelik ve kimyasal üretimi gibi karbondan arındırılması zor sektörlerde net sıfır emisyon elde etmek için gerekli bir unsur olarak adlandırıldı.
“Sanayide emisyonları azaltmak IPCC, raporun 2022 bölümlerinden birinin yanında yayınlanan bir haber bülteninde, malzemelerin daha verimli kullanılmasını, ürünlerin yeniden kullanılmasını ve geri dönüştürülmesini ve atığın en aza indirilmesini içerecektir” dedi. Raporda, “Toplumda ihtiyaç duyulan karbon için net sıfır CO2 emisyonuna ulaşmak için (örneğin, plastikler, ahşap, havacılık yakıtları, çözücüler, vb.),” diyor, “karbon ve karbondioksit kullanım döngülerini kapatmak önemlidir. mekanik ve kimyasal geri dönüşümle artan döngüsellik sayesinde.”
PNNL’nin araştırması, DOE’nin Karbon Negatif Atışı ile uyumlu olarak tam da bunu yapmaya odaklanmıştır. Ekip, dönüşümde yenilenebilir kaynaklı hidrojen kullanarak, hammadde olarak doğal gaz kullanan geleneksel yöntemlere göre daha düşük karbon ayak izine sahip metanol üretebilir. CO2 dönüşümü yoluyla üretilen metanol, karbon azaltma teknolojilerinin benimsenmesini sağlamaya yönelik politika ve pazar teşvikleri için uygun olabilir.
Metanol, hacim olarak var olan en yüksek oranda üretilen kimyasallar arasındadır. “Platform malzemesi” olarak bilinen kullanımları çok çeşitlidir. Ekip, metanole ek olarak CO2’yi formata (başka bir ticari kimyasal madde), metan ve diğer maddelere dönüştürebilir.
Bu süreci optimize etmek ve ölçeklendirmek için yapılması gereken önemli miktarda çalışma vardır ve bunun için birkaç yıl geçmesi gerekebilir. ticari dağıtım için hazırdır. Ancak, PNNL’nin Karbon Yönetimi ve Fosil Enerji pazar sektörü yöneticisi Casie Davidson, geleneksel kimyasal emtiaların yerini almanın yalnızca başlangıç olduğunu söyledi. “Ekibin entegre yaklaşımı, yeni bir CO2 dönüşüm kimyası dünyasının kapılarını açıyor. Tamamen yeni bir ölçeklenebilir, uygun maliyetli karbon teknolojisi alanının eşiğinde duruyormuşuz gibi bir his var. Bu çok heyecan verici bir zaman.”
Düşen maliyetler
Bir DOE analizine göre, ticari sistemler baca gazındaki karbonu metrik ton CO2 başına yaklaşık 46 ABD Doları seviyesinde emer. PNNL ekibinin hedefi, yakalama sürecini daha verimli ve ekonomik açıdan rekabetçi hale getirerek maliyetleri sürekli olarak azaltmaktır.
Ekip, yakalama maliyetini 2021’de metrik ton CO2 başına 47,10 ABD dolarına düşürdü. Yeni bir çalışma açıklandı Journal of Cleaner Production’da, PNNL tarafından geliştirilmiş farklı yakalama çözücüleri kullanarak metanol sistemini çalıştırmanın maliyeti araştırılıyor ve bu rakam şu anda metrik ton CO2 başına 39 ABD dolarının biraz altına düştü.
“Üç CO2’ye baktık değerlendirmeye öncülük eden kimya mühendisi Yuan Jiang, “Bu yeni çalışmada bağlayıcı çözücüler” dedi. “İçlerinden geçen karbonun yüzde 90’ından fazlasını tuttuklarını ve bunu geleneksel yakalama teknolojisinin maliyetinin yaklaşık yüzde 75’ini karşıladığını bulduk.”
Farklı sistemler kullanılabilir. bitki veya fırın. Ancak kurulum ne olursa olsun, çözücüler merkezidir. Bu sistemlerde solventler, CO2 bakımından zengin baca gazını yayılmadan önce yıkar ve geride artık o sıvının içinde bağlı olan CO2 moleküllerini bırakır.
CO2’den metanol oluşturmak yeni değildir. Ancak sürekli akan bir sistemde hem karbonu yakalama hem de onu metanole dönüştürme yeteneği. Yakalama ve dönüştürme, geleneksel olarak, her bir işlemin benzersiz, genellikle tamamlayıcı olmayan kimyasıyla ayrılan iki farklı adım olarak gerçekleşir.
“Nihayet, tek bir teknolojinin her iki adımı da yapabileceğinden ve onları iyi yapabileceğinden emin oluyoruz” dedi Heldebrant, geleneksel dönüştürme teknolojisinin tipik olarak yüksek düzeyde saflaştırılmış CO2 gerektirdiğini de sözlerine ekledi. Yeni sistem, “kirli” CO2’den metanol üreten ilk sistemdir.
Yarının emisyonlarını azaltma
CO2’yi yakalama ve onu metanole dönüştürme süreci CO2 negatif değildir. Metanoldeki karbon yakıldığında açığa çıkar veya metanol daha uzun ömürlü maddelere dönüştürüldüğünde tecrit edilir. Ancak Heldebrant’a göre bu teknoloji, malzemenin içinde ve atmosferin dışında karbon bağlılığını koruma işi için “sahneyi hazırlıyor”.
Diğer hedef malzemeler arasında yapıştırıcılarda, kaplamalarda ve kaplamalarda bulunan poliüretanlar yer alır. tekstil kumaşlarında yaygın olarak kullanılan köpük yalıtımı ve polyesterler. Araştırmacılar, CO2’yi iklimle ilgili zaman ölçeklerinde onu atmosferden uzak tutan malzemelere dönüştürmenin ardındaki kimyayı tamamladıktan sonra, bu tür reaksiyonları yürütmek için geniş bir yakalama sistemleri ağı hazırlanabilir.
Günümüzün bacaları yerine, Heldebrant enerji santrallerinin içine veya yanına inşa edilen ve CO2 içeren ürünlerin yerinde üretilebildiği CO2 rafinerilerini öngörüyor.Mathias, Richard F. Zheng, Charlies J. Freeman, Dushyant Barpaga, Deepika Malhotra, Phillip K. Koech, Andy Zwoster ve David J. Heldebrant, 22 Aralık 2022, Journal of Cleaner Production.
DOI: 10.1016 /j.jclepro.2022.135696
“Yakma Sonrası Yakalama Çözücüsünde Entegre CO2 Yakalama ve Metanole Dönüştürme: Seçici C-N Bağ Bölünmesi için Heterojen Katalizörler”, Jotheeswari Kothandaraman, Johnny Saavedra Lopez, Yuan Jiang , Eric D. Walter, Sarah D. Burton, Robert A. Dagle ve David J. Heldebrant, 3 Ekim 2022, Advanced Energy Materials.
DOI: 10.1002/aenm.202202369
{5 }“Solvent bazlı CO2 yakalama için sonraki adımlar; yakalama, dönüştürme ve mineralizasyonun entegrasyonu” yazan David J. Heldebrant, Jotheeswari Kothandaraman, Niall Mac Dowell ve Lynn Brickett, 19 Mayıs 2022, Chemical Science.
DOI: 10.1039/D2SC00220E
{ 5}Bu teknoloji lisanslama için kullanılabilir. Daha fazla bilgi edinmek için lütfen PNNL ticarileştirme müdürü Sara Hunt ile iletişime geçin.
Bu çalışma, Energy’s Technology Commercialization Fund, Fosil Enerji ve Karbon Yönetimi Ofisi ve Güney Kaliforniya tarafından desteklenmiştir. Gaz. Çalışmanın bir kısmı, PNNL’de bir DOE Office of Science kullanıcı tesisi olan Çevresel Moleküler Bilimler Laboratuvarı olan EMSL’de gerçekleştirildi.
.