Австралийские ученые говорят, что они совершили прорыв в области разделения и хранения газа, который может радикально сократить потребление энергии в нефтехимической промышленности, а также сделать хранение и транспортировку водорода в виде порошка намного проще и безопаснее.
Исследовательская группа, базирующаяся в кампусе Geelong Waurn Ponds Университета Дикина, утверждает, что нашла сверхэффективный способ механохимического улавливания и удержания газов в порошках с потенциально огромными и широкими промышленным приминением.
Механохимия — это относительно недавно придуманный термин , относящийся к химическим реакциям, которые вызываются механическими силами, а не разницей тепла, света или электрического потенциала. В этом случае механическая сила обеспечивается шаровой мельницей — низкоэнергетическим процессом измельчения, при котором цилиндр, содержащий стальные шарики, вращается так, что шарики катятся вверх по стенке, а затем снова падают вниз, дробя и перекатывая материал внутри. .
Команда продемонстрировала, что измельчение определенного количества определенных порошков с точными уровнями давления определенных газов может вызвать механохимическую реакцию, которая поглощает газ в порошок и сохраняет его там, давая вам, по сути, твердотельный носитель, который может удерживать газы. безопасно при комнатной температуре, пока они не понадобятся. Газы можно выпускать по мере необходимости, нагревая порошок до определенной точки.
Этот процесс повторяем, и профессор Ян Чен, соавтор нового исследования, опубликованного в журнале Materials Today, сообщает нам по телефону, что порошок нитрида бора, использовавшийся в первых экспериментах, теряет лишь «примерно пару процентов» своего поглощения. возможность каждого цикла хранения и выпуска. «Нитрид бора очень стабилен, — говорит он, — и графен тоже. Мы рассматриваем восстановительную обработку, которая может очистить порошки и восстановить уровень их поглощения, но нам нужно доказать, что это сработает».
Революционная перестройка масштабной отрасли газоразделения
Результаты абсолютно замечательны с точки зрения чисел. Этот процесс, например, может отделить углеводородные газы от сырой нефти, используя менее 10% энергии, необходимой сегодня. «В настоящее время в нефтяной промышленности используется криогенный процесс, — говорит Чен. «Несколько газов собираются вместе, поэтому, чтобы очистить и разделить их, они охлаждают все до жидкого состояния при очень низкой температуре, а затем все вместе нагревают. Разные газы испаряются при разных температурах, и вот как они их разделяют».
Криогеника, конечно, является очень энергоемким процессом, и команда Дикина обнаружила, что ее процесс шаровой мельницы можно настроить так же эффективно, чтобы отделять газы, используя гораздо меньше энергии. Они обнаружили, что различные газы поглощаются при различной интенсивности измельчения, давлении газа и периоде времени. Как только первый газ поглощается порошком, его можно удалить, и процесс можно запустить повторно с другим набором параметров для улавливания и хранения следующего газа. Точно так же некоторые газы выделяются из порошков при более высоких температурах, чем другие, что предлагает второй способ разделения газов, если они хранятся вместе.
В ходе экспериментов группе удалось выделить комбинацию алкиновых, олефиновых и парафиновых газов с помощью порошка нитрида бора. Процесс занимает некоторое время – одни газы полностью поглощались через два часа, другие – лишь частично – через 20 часов. Но Чен говорит, что это должно быть просто вопросом тонкой настройки: «Мы продолжаем работать с разными газами, используя разные материалы. Приложения.»
Даже если это займет некоторое время, экономия средств — а также энергосбережения и сокращения выбросов — станет исключительным аргументом в пользу повсеместного внедрения. «Энергия, потребляемая 20-часовым процессом измельчения, составляет 0,32 доллара США», — говорится в документе. «По оценкам, процесс адсорбции газа шаровой мельницы потребляет 76,8 кДж / с для разделения 1000 литров (220 галлонов) смеси олефинов / парафинов, что на два порядка меньше, чем в процессе криогенной дистилляции».
Даже если принять во внимание энергию, необходимую для нагревания порошка до нескольких сотен градусов и выделения газа, процесс чрезвычайно эффективен. А криогенная перегонка является жизненно важным и чрезвычайно энергоемким процессом. Согласно исследованию 2016 года, опубликованному в журнале Nature , крио-дистилляционное разделение только олефинов пропена и этена, которые необходимы для производства пластмасс, потребляет примерно столько же энергии во всем мире, сколько весь Сингапур. – 0,3% всего мирового энергопотребления. На дистилляцию в целом приходится 10-15% мирового потребления энергии. Таким образом, у этой технологии есть возможность внести огромный вклад в глобальном масштабе.
Хранение водорода в твердом состоянии: еще одна область огромного потенциала
Вариант использования газоразделения сам по себе был бы огромным достижением, но команда считает, что надежное хранение газа в порошках также открыло привлекательный способ хранения и транспортировки водорода, который может сыграть ключевую роль в грядущем переходе к чистой энергии. .
В настоящее время чистый водород хранится либо в виде газа, либо в виде криогенной жидкости. Газообразная форма должна храниться при давлении, примерно в 700 раз превышающем нормальное атмосферное давление на уровне моря, или более 10 100 фунтов на квадратный дюйм, что означает, что для его сжатия требуется значительная энергия, и для этого требуются резервуары для хранения, способные безопасно выдерживать большие нагрузки давления. Жидкая форма должна быть охлаждена до температуры ниже точки кипения водорода при атмосферном давлении: всего 20,28 К (-252,87 ° C, -423,17 ° F), и ее нужно хранить в холоде, а иногда и под давлением до тех пор, пока вы ее храните. Это требует еще больше энергии.
«Научное сообщество пыталось найти подходящий материал типа губки, который мог бы хранить большое количество водорода в течение как минимум полувека», — говорит Чен. «Техника, о которой мы недавно сообщали, предназначена для парафина, но мы можем хранить гораздо больше водорода. Она не требует много энергии и безопасна; при нормальных условиях она довольно стабильна, и водород не будет выделяться, если его не нагреть. до пары сотен градусов. Так что есть реальная надежда на то, что это станет практичной твердотельной технологией хранения — не только для водорода, но и для аммиака и других топливных газов».
Хотя нагрев порошка до нескольких сотен градусов звучит как энергоемкий процесс, Чен говорит, что путь от газа к порошку и обратно требует гораздо меньше энергии, чем даже просто сжатый газ.
«Трудно назвать точные цифры, — говорит он, — потому что в настоящее время мы проводим только небольшие эксперименты по сравнению с исследованием разделения газов. сжимать газообразный водород. И это можно улучшить в более крупных масштабах или за счет оптимизации условий измельчения и материалов. Мы работаем над снижением энергии, необходимой для выпуска газа — и чем больше газа вы храните, тем меньше энергии требуется чтобы выпустить его. Но предстоит еще много работы».
С водородом, надежно хранящимся в порошке, его можно очень легко и безопасно перемещать и складировать — это может быть очень убедительным способом перемещения больших объемов водорода на экспорт или распределение, поскольку он дешевле и проще в обращении, чем газ или жидкость. , а оборудование, необходимое для выпуска газа для использования на другом конце, будет довольно простым.
Чен говорит, что порошок может также использоваться в качестве топлива для легковых и грузовых автомобилей. «Это также может иметь преимущества в мобильных приложениях, — говорит он, — что в настоящее время является самой сложной проблемой в сообществе водородной энергетики. Но если вы хотите сделать это в транспортном средстве, мы должны подумать о подходящем баке или контейнере, как выпустить его с контролируемой скоростью, как будет выглядеть процесс заправки… это потребует дополнительной работы».
Как обстоят дела с плотностью по объему и весу? Чен говорит нам, что порошок может хранить весовой процент водорода около 6,5%. «Каждый грамм материала содержит около 0,065 грамма водорода», — говорит он. «Это уже выше целевого показателя в 5%, установленного Министерством энергетики США. И с точки зрения объема, на каждый грамм порошка мы хотим хранить около 50 литров (13,2 галлона) водорода».
Действительно, если команда подтвердит эти цифры, они будут означать мгновенное удвоение массовых долей лучших современных твердотельных накопителей водорода, которые, по данным Air Liquide , могут управлять только 2-3%.
Однако сложно сравнивать эти веса и объемные плотности с газообразным или жидким водородом — в уравнение входит множество факторов. Например, пятьдесят литров (11 галлонов) на грамм звучит как огромное количество, но при атмосферном давлении плотность водорода в 467 раз меньше, чем при сжатии до 700 бар в резервуаре. Таким образом, каждый грамм порошка действительно будет хранить примерно такое же количество водорода, как 0,11 литра (3,62 жидких унции) сжатого газа H2.
Точно так же 6,5% звучит как очень маленькая весовая доля — на каждый килограмм водорода, который вы носите, вам также нужно таскать с собой 14,4 килограмма нитрида бора. Это должно быть убийцей для любого варианта использования, чувствительного к весу, верно? Не совсем – как однажды сказал нам Вал Мифтахов из ZeroAvia , современные баллоны со сжатым водородом намного тяжелее топлива, которое они перевозят, так что вы по-прежнему несете не менее 9 кг баллона на каждый 1 кг водорода внутри.
Нитрид бора легко доступен в промышленных количествах и относительно дешев, но Чен говорит, что этот метод должен работать и с другими материалами. «Мы не ограничиваемся нитридом бора, — говорит он, — мы просто используем его в качестве примера. Вы также можете использовать графен, чтобы взять другой пример, и мы продолжаем исследовать другие материалы».
Ясно, что этот прогресс имеет некоторые потенциально огромные последствия, которые могут в значительной степени способствовать сокращению энергопотребления, сокращению выбросов, переходу на экологически чистую энергию и даже снижению цен на топливо и химические вещества. Команда подала предварительные заявки на патент, и мы с нетерпением ждем возможности узнать, что возможно, поскольку метод совершенствуется и адаптируется к полезным приложениям.
Исследование опубликовано в журнале Materials Today .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com