محققان رآکتوری ساخته اند که کربن ضایعات را به مواد شیمیایی تصفیه می کند و در عین حال هیدروژن تولید می کند

در دنیایی که با نگرانی های دوگانه در مورد تغییرات آب و هوایی و نیازهای رو به رشد انرژی مواجه است، توسعه جایگزین های تجدیدپذیر برای سوخت های فسیلی رویایی طولانی مدت است. اگرچه پیشرفت قابل توجهی در سال های اخیر در تبدیل مواد زیستی مختلف به انرژی قابل استفاده حاصل شده است، اما پالایش آنها به روشی پایدار از نظر زیست محیطی یک چالش باقی مانده است.

تیمی از آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام اکنون یک راکتور سلول جریان ابتکاری ایجاد کرده اند که قادر است کربن ضایعات را به مواد شیمیایی با ارزش تصفیه کند و در عین حال هیدروژن تولید کند که می تواند برای نیرو دادن به وسایل نقلیه یا تولید گرما استفاده شود. این فرآیند پالایش به طور بالقوه کربن خنثی است و حتی ممکن است در پایان کربن منفی باشد.

سیستم بازیابی سوخت اکسیداسیون خودکار تیم PNNL به رهبری مهندس محقق کاتالیزور Juan A. Lopez-Ruiz، با منبع زیستی آغاز می شود که می تواند از محصولات کشاورزی، جلبک ها و حتی فاضلاب ایجاد شود. این ماده خام زیستی توسط فرآیندی به نام مایع سازی هیدروترمال (HTL) ایجاد می شود که بدون شک انرژی بر است زیرا از دما و فشار بالا برای تبدیل مواد آلی خام به نفت خام زیستی استفاده می کند. با تقلید از فرآیندهای طبیعی که سوخت‌های فسیلی جهان را ایجاد کرده‌اند، HTL می‌تواند «در عرض چند دقیقه به چیزی برسد که میلیون‌ها سال از طبیعت مادر طول می‌کشد».

اما مانند پالایش نفت سنتی، فرآیند پالایش بیوسو نیز انرژی بر است. Juan A. Lopez-Ruiz، مهندس شیمی PNNL و مدیر پروژه می گوید: «روش هایی که در حال حاضر برای تصفیه مواد خام زیستی استفاده می شود، نیاز به هیدروژن با فشار بالا دارد که معمولاً از گاز طبیعی تولید می شود.

اینجاست که فرآیند PNNL ثبت شده ظاهر می شود. او دریافت که فرآیندهای الکتروکاتالیستی می توانند نسبت به فرآیندهای ترموکاتالیستی مانند HTL که از هیدروژن در دماها و فشارهای بالا استفاده می کنند، ابزار بهبود پایدارتری ارائه دهند.

همانطور که Lopez-Ruiz توضیح می دهد: “سیستم ما می تواند این هیدروژن را به تنهایی تولید کند، در حالی که فاضلاب را در شرایط آب و هوایی نزدیک با استفاده از الکتریسیته تجدید پذیر اضافی تصفیه می کند و کارکرد آن را ارزان و به طور بالقوه کربن خنثی می کند.

این فرآیند با مخلوطی از منابع زیستی و فاضلاب شروع می شود که مستقیماً از فرآیند HTL یا از منبع مناسب دیگری از زباله مرطوب به راکتور سلول جریان عبور می کند. سلول توسط غشایی جدا می شود که برای پروتون ها نفوذپذیر است اما برای الکترون ها نفوذپذیر نیست. هنگامی که مخلوط وارد سمت آند سلول می شود، با یک فیلم تیتانیوم نازک که با نانوذرات اکسید روتنیوم پوشانده شده است، تماس پیدا می کند. واکنش با این آند باعث می شود که جریان زباله تحت تبدیل کاتالیزوری قرار گیرد که شیمی آن را تغییر می دهد. این مواد تشکیل دهنده اصلی آن، که شامل اسید کربوکسیلیک است، تجزیه می شود و روغن های مفید و پارافین ها را آزاد می کند. ترکیبات محلول شامل اکسیژن و نیتروژن نیز به این گازهای رایج تجزیه می شوند.

جریان زباله به سمت کاتد سلول می پیچد، جایی که از یک نمد کربن باردار عبور می کند. در اینجا تحت واکنش‌های اضافی قرار می‌گیرد که می‌تواند مولکول‌های آلی را هیدروژنه کند یا گاز هیدروژن تولید کند که می‌تواند برای تامین انرژی بخشی از فرآیند استفاده شود. فیبرهای نمدی کربن علاوه بر اینکه رسانای عالی الکتریسیته هستند، باعث اختلاط مولکول‌های جریان با آشفتگی بالا می‌شوند و واکنش‌های کاتالیزوری را تسریع می‌کنند. انرژی مورد نیاز سلول به قدری کم است که بقیه نیازهای آن را می توان با الکتریسیته تولید شده توسط سلول های خورشیدی تامین کرد.

اگرچه این سیستم برای نزدیک به 200 ساعت کار آزمایش شد، اما کارایی خود را بدون تلفات محسوس حفظ کرد. این آزمایش می توانست خیلی بیشتر طول بکشد، با این تفاوت که مواد اولیه زیستی تیم تمام شده بود.

لوپز-روئیز گفت: «این یک سیستم گرسنگی است. اگر فاضلاب داشته باشید، می‌تواند به طور نامحدود کار کند.

پس از حذف آلاینده ها، فاضلاب را می توان به راکتور بازیافت کرد و اثرات زیست محیطی این فرآیند را بیشتر کاهش داد. فیلتراسیون در مراحل بعدی می تواند مورد استفاده قرار گیرد و تمام مواد شیمیایی ناخواسته دیگر را قبل از استفاده از آب برای محصولات کشاورزی یا حتی برای آشامیدن از بین می برد.

یکی از مشکلات بالقوه در طراحی راکتور، وابستگی آن به فلزات به اصطلاح کمیاب است. مانند بسیاری از فناوری‌های انرژی پاک، طراحی سلول‌های جریانی PNNL به این عناصر انرژی‌بر و سخت در دسترس نیاز دارد که گاهی اوقات فلزات گروه پلاتین نامیده می‌شوند. طبق مطالعه اخیر وزارت انرژی، ایالات متحده 100 درصد به واردات 14 مورد از 35 مورد از این فلزات وابسته است و ما بیش از 50 درصد به 17 مورد دیگر وابسته هستیم. این امر بهبود منابع داخلی ما را در اولویت قرار داده است.

برای مقابله با این موضوع، تیم PNNL آند خود را با پوشش دادن یک فیلم تیتانیوم با نانوذرات اکسید روتنیوم ایجاد کردند. در مقایسه با استفاده از یک لایه نازک از فلز مانند پلاتین، این رویکرد به شدت سطح موجود برای کاتالیزور واکنش ها را افزایش می دهد، در حالی که مقدار مواد مورد نیاز را کاهش می دهد.

طبق مقاله‌ای که اخیراً در Applied Catalysis B: Environmental منتشر شده است، Lopez-Ruiz و دیگران تعیین می‌کنند که اندازه ذرات بهینه برای اکسید روتنیوم حدود 12 نانومتر است. در نتیجه، رویکرد جدید PNNL به فلز خاکی کمیاب حدود 1000 برابر کمتر از آنچه که معمولاً برای یک راکتور مبتنی بر پلاتین مشابه مورد نیاز است، نیاز دارد. در عین حال، این فرآیند بیش از 100 برابر نرخ تبدیل بالاتری نسبت به سیستم های حرارتی با استفاده از فشارهای متوسط ​​و دمای هیدروژن به دست می آورد.

یکی دیگر از مزایای روش PNNL این است که قابل تنظیم است و به مولکول ها و ترکیبات مختلف اجازه می دهد بر اساس ولتاژ اعمال شده به زنجیره تشکیل شوند. با تغییر ولتاژ در محدوده عملیاتی سیستم از تقریباً دو تا پنج ولت، مواد خام تحت واکنش های مختلفی قرار می گیرند. همه اینها به طور بالقوه می تواند توسط نرم افزار نظارت و مدیریت شود و این امکان را برای شخصی فراهم می کند که بدون نیاز به مدرک مهندسی شیمی آن را مدیریت کند.

این با برخی از ایده ها در مورد چگونگی استفاده از این راکتورها در نهایت مطابقت دارد. در حالی که فکر کردن به استفاده از مفهومی مانند این برای ساختن پالایشگاه‌های بزرگ و متمرکز سوخت طبیعی است، اما قرار دادن نسخه‌های کوچک‌تر نزدیک به مواد اولیه ممکن است سازگارتر با محیط‌زیست باشد. مزارع، کارخانه‌های آبجوسازی و تصفیه‌خانه‌های فاضلاب می‌توانند برای این کار ایده‌آل باشند و آن‌ها را هم تولیدکننده و هم مصرف‌کننده کنند.

برای اجازه دادن به این امر، فرآیند جدید PNNL اکنون به عنوان CLEANSET (تصفیه الکتروشیمیایی پایدار تمیز) ثبت شده است و برای صدور مجوز توسط شرکت ها و شهرداری ها در دسترس است. این فناوری اخیراً توسط CogniTek، یک شرکت جهانی که محصولات انرژی و راه حل های فناوری را به بازار عرضه می کند، مجوز دریافت کرده است. CogniTek قصد دارد فناوری PNNL را با سایر سیستم های پردازش زیست توده که خود و شرکای استراتژیک خود برای تجاری سازی توسعه می دهند، ادغام کند.

همراه با لوپز-روئیز، تیم تحقیقاتی PNNL شامل یانگ کیو، ایوان اندروز، الیور گوتیرز و جیمی هالادی است. این کار تا حدی توسط DOE تامین مالی شد.