И вот, еще одна новость из США: в национальной лаборатории энергетических технологий (National Energy Technology Laboratory) создан материал, с помощью которого возможно создание дешевой и эффективной технологии связывания СО2.
Журнал Technology Review сообщает, что международной группе ученых удалось синтезировать материал, который, благодаря пористой структуре, способен впитать объем углекислого газа до 80 раз превышающий его собственный. Новая технология может стать дешевым и эффективным решением для энергетики, не требующим гигантских капитальных и эксплуатационных затрат.
Предполагается размещать специальные конструкции из разработанного материала в газоотводящем тракте тепловой электростанции. После того, как материал абсорбирует СО2, его необходимо заменить новым. На материал наполненный связанным СО2 воздействуют давлением и нагревают, СО2 выделяется. Далее газ можно сжать и закачать в глубокое подземное хранилище.
Фотография материала абсорбирующего СО2 с кристалликами углерода под микроскопом.
Известно, что в США около половины электроэнергии вырабатывается на угольных электростанциях. В Америке сосредоточено 25% мировых запасов угля. Однако, уголь – самое сложное, с точки зрения сжигания, и самое вредное, с точки зрения экологии органическое топливо. Для решения проблемы снижения ущерба экологии от использования угля, Департамент энергетики США ежегодно инвестирует миллиарды долларов в соответствующие научные программы.
Новый материал может стать долгожданным прорывом в работе ученых над проблемой снижения эмиссии парниковых газов. Известные ранее методы улавливания и связывания газов были очень энергозатратны и капиталоемки. Использование существующих технологий требует направлять до 20% производимой на станции электроэнергии для обеспечения нужд задействованного в процессе улавливания и связывания газов оборудования.
Впервые, о разработке уникального газопоглощающего материала сообщил журнал Science на прошлой неделе. Материал был создан в национальной лаборатории энергетических технологий группой ученых под руководством Omar Yaghi. Этот ученый-химик с мировым именем уже долгое время занимается созданием материалов со сложной микростуктурой. Ему удалось разработать несколько образцов материалов, поглощающих СО2, но не вступающих во взаимодействие с другими газами.
В принципе, идея применения специальных материалов (аминов*) для связывания СО2 известна давно. Проблема их широкого применения состоит в том, что для регенерации аминов уже впитавших в себя газ их необходимо нагревать. На этот процесс расходуется столько энергии, что стоимость производства кВт*ч на угольной станции возрастает на 80-90%!
Новый материал, благодаря своим свойствам, существенно снижает расходы на регенерацию. Пока не прошли испытания на электростанции, не возможно назвать точную цифру энергозатрат, однако разработчики предполагают, что она должна быть в разы меньше.
Помимо использования на электростанциях, новый материал может быть применен и в установках газификации угля. В этой технологии углерод (точнее СО) можно выделить из синтетического газа до сжигания топлива.
О разработанном материале известно то, что он относится к классу «zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs)» - это сложные метало-органические кристаллические структуры, используемые для связывания и хранения газов. До начала работы группы ученых под руководством профессора Omar M. Yaghi за 12 лет учеными всего мира было разработано 24 типа ZIF материалов. Профессору Yaghi и его коллегам удалось создать 25 новых за три месяца!
Секрет в том, что учены используют автоматизированную систему разработки новых ZIF материалов. Мощные компьютеры моделируют тысячи вариантов новых структур, ученые оценивают варианты и проводят эксперименты с образцами.
На снимке: ZIF структуры, разработанные в лаборатории профессора Yaghi
Ключевая характеристика метало-органических кристаллические структур – это их пористость. Поры на несколько порядков увеличивают площадь соприкосновения с газом. Например, всего 1 грамм самого пористого материала из созданных в лаборатории Yaghi имеет площадь соприкосновения – 2000 квадратных метров! Всего один литр материала абсорбирует 82,6 литра СО2 при нормальном атмосферном давлении и температуре около 0 градусов Цельсия.
Механизм взаимодействия ZIF материалов с СО2 пока до конца не понятен. Профессор Yaghi предполагает, что все дела в небольшом отрицательном заряде ZIF молекул, который и притягивает молекулы СО2, имеющие небольшой положительный заряд. Именно поэтому другие газы (нейтральные по заряду) проходят сквозь поры, а СО2 удерживается.
Новый материал хорош еще и тем, что не предполагает создания сильной ковалентной связи с СО2, которую впоследствии было бы трудно разрушить. Именно этим объясняются меньшие энергетические затраты на регенерацию материала.
Разработка профессора Yaghi сейчас активно дорабатывается для коммерческого использования. Стоит задача организации промышленного производства абсорбирующего материала и разработки конструкции системы для установки на электростанции. Решение этих задач требует двух-трех лет. Профессора Yaghi считает, что нет препятствий для скорейшего промышленного освоения выпуска материала. Сейчас он, в основном, рассчитывает на гиганта химической промышленности – компанию BASF. Используя систему автоматизированной разработки материалов, профессор Yaghi собирается продолжать поиски еще более эффективных ZIF абсорбентов.
*Ами́ны — органические соединения, производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы.
Материалы по теме:
http://yaghi.chem.ucla.edu/pdfPublications/Park_Yaghi.pdf
