Флаш методът с ниски емисии прециклира отпадъчната пластмаса в „свободен“ водород

Изследователите са използвали метод с ниски емисии за събиране на водород и графен от отпадъчни пластмаси. Те казват, че не само решава екологични проблеми като замърсяване с пластмаса и производство на парникови газове, но стойността на графеновия страничен продукт може да компенсира разходите за производство на водород.

Водородът се използва за задвижване на превозни средства, генериране на електричество и отопление на нашите домове и предприятия. Водородът съдържа повече енергия на единица тегло от изкопаемите горива, което е важно от екологична гледна точка, тъй като основната причина за глобалните емисии на парникови газове е освобождаването на въглероден диоксид от изгарянето на изкопаеми горива.

Повече от 95% от водорода се синтезира чрез парно-метанов реформинг, който произвежда 11 тона (12 тона) въглероден диоксид за всеки тон водород, по-голямата част от който е сив водород. За сравнение, „зеленият водород“, произведен с помощта на възобновяеми енергийни източници като слънчева, вятърна или водна енергия за разделяне на водата на съставните й елементи, е скъп, струва около 5 щатски долара за малко над два паунда (около един килограм).

Изследователи от университета Райс вече са разработили средство за събиране на ценен водород и графен от отпадъчна пластмаса, използвайки метод с ниски емисии, без катализатор, който има потенциала да се изплати.

„В тази работа ние преобразувахме отпадъчната пластмаса – включително смесена отпадъчна пластмаса, която не трябва да се сортира по вид или да се измие – във водороден газ с висок добив и графен с висока стойност“, каза Кевин Уис, водещ автор на изследването. „Ако произведеният графен се продава само на 5% от текущата пазарна стойност – 95% намаление! – чистият водород може да се произвежда безплатно.

При парно-метанов реформинг високотемпературна пара (1292 °F до 1832 °F/700 °C до 1000 °C) се използва за производство на водород от източник на метан като природен газ. Метанът реагира с парата в присъствието на катализатор за получаване на водород, въглероден оксид и въглероден диоксид.

„Основната форма на водород, използвана днес, е „сивият“ водород, който се произвежда чрез парно-метанов реформинг, метод, който генерира много въглероден диоксид“, каза Джеймс Тур, един от съответните автори на изследването. „Търсенето на водород вероятно ще скочи рязко през следващите няколко десетилетия, така че не можем да продължим да го правим по същия начин, както досега, ако сме сериозни за достигане на нетни нулеви емисии до 2050 г.“

Отпадъчните пластмаси висят в околната среда от векове, заплашвайки дивата природа и разпространявайки токсини сред животните и хората. В настоящото проучване изследователите излагат пластмасовите отпадъци на бързо нагряване на джаул за около четири секунди. Повишаването на температурата до 3100 келвина изпарява присъстващия в пластмасата водород, оставяйки след себе си графен, лек, издръжлив материал, състоящ се от един слой въглеродни атоми. Графенът се използва в електрониката, съхранението на енергия, сензорите, покритията, композитите и биомедицинските устройства, за да назовем само няколко от неговите приложения.

„Когато за първи път открихме бързо джаулово нагряване и го приложихме за повторно преработване на отпадъчна пластмаса в графен, наблюдавахме много летливи газове, които се произвеждат и изстрелват от реактора“, каза Wyss. „Чудехме се какви са те, подозирахме смесица от малки въглеводороди и водород, но ни липсваше апаратура, за да проучим точния им състав.“

След придобиването на оборудването, необходимо за анализиране на изпареното съдържание, благодарение на финансирането от Инженерния корпус на армията на САЩ, изследователите установиха, че подозренията им са правилни: процесът произвежда водороден газ.

„Ние знаем, че полиетиленът, например, е направен от 86% въглерод и 14% водород и ние демонстрирахме, че можем да възстановим до 68% от този атомен водород като газ с 94% чистота“, каза Wyss. „Разработването на методите и експертизата за характеризиране и количествено определяне на всички газове, включително водород, произведени чрез този метод, беше труден, но възнаграждаващ процес за мен.“

Изследователите казват, че въз основа на оценката на жизнения цикъл техният метод произвежда по-малко емисии от другите методи за производство на водород. Оценката на жизнения цикъл е техника, използвана за анализ на холистичните въздействия върху околната среда и нуждите от ресурси, свързани с производствените методи.

„Светкавицата H₂ процесът осигурява подобрения както в кумулативното търсене на енергия (33-95% по-малко енергия), така и в емисиите на парникови газове (65-89% по-малко емисии) в сравнение с други методи за разграждане на отпадъци от пластмаса или биомаса за H₂ производство“, казаха изследователите.

Изследователите казват, че предимството на техния процес на флаш джаулово нагряване е, че отпадъчната пластмаса не трябва да се измива или отделя и може да се използва за производство на чист водород с отрицателни разходи от отпадъчни материали.

Те планират да разширят разбирането си за флаш джаул нагревателния механизъм, за да подобрят неговата мащабируемост и да оптимизират производството на водород.

„Надявам се, че тази работа ще позволи производството на чист водород от отпадъчна пластмаса, евентуално решаване на големи екологични проблеми като замърсяване с пластмаси и интензивно производство на водород с парникови газове чрез реформиране на пара-метан“, каза Wyss.

Изследването е публикувано в сп Разширени материали.

източник: Университет Райс