Механохимичен пробив отключва евтин, безопасен прахообразен водород

Сподели

Австралийски учени казват, че са постигнали пробив в разделянето и съхранението на газ като “момент на еврика”, което би могло радикално да намали потреблението на енергия в нефтохимическата промишленост, като същевременно направи водорода много по-лесен и по-безопасен за съхранение и транспортиране на прах.

Изследователи в областта на нанотехнологиите, базирани в Института за гранични материали на университета Дикин, твърдят, че са открили супер-ефективен начин за механохимично улавяне и задържане на газове в прахове, с потенциално огромни и широкообхватни индустриални последици.

Механохимията е относително наскоро въведен термин, отнасящи се до химически реакции, които се задействат от механични сили, за разлика от топлина, светлина или електрически потенциални разлики. В този случай механичната сила се подава от мелница с топка – нискоенергиен процес на смилане, при който цилиндър, съдържащ стоманени топки, се върти така, че топките да се търкалят нагоре отстрани, след което да се спускат отново надолу, смачквайки и търкаляйки материала вътре .

Екипът демонстрира, че смилането на определени количества от определени прахове с точни нива на налягане на определени газове може да предизвика механохимична реакция, която абсорбира газа в праха и го съхранява там, като ви дава това, което по същество е среда за съхранение в твърдо състояние, която може да задържи газовете безопасно при стайна температура, докато не са необходими. Газовете могат да бъдат освободени според нуждите чрез нагряване на праха до определена точка.

Механохимично разделяне на газове чрез топкова мелница

Университет Дикин

Процесът е повторим и професор Иън Чен, съавтор на новото проучване, публикувано в списанието Материали днес, ни казва по телефона, че прахът от борен нитрид, използван в първите експерименти, губи само “около няколко процента” от способността си за абсорбиране всеки цикъл на съхранение и освобождаване. „Борният нитрид е много стабилен“, казва ни той, „както и графенът. Търсим възстановителна обработка, която може да почисти праховете и да възстанови нивата им на абсорбция, но трябва да докажем, че ще работи.“

Революционен основен ремонт на масивната индустрия за разделяне на газ

Резултатите са абсолютно забележителни от гледна точка на числата. Този процес, например, може да отдели въглеводородните газове от суровия нефт, използвайки по-малко от 10% от енергията, която е необходима днес. „В момента петролната индустрия използва криогенен процес“, казва Чен. „Няколко газа идват заедно, така че за да ги пречистят и разделят, те охлаждат всичко до течно състояние при много ниска температура и след това го загряват заедно. Различните газове се изпаряват при различни температури и така ги отделят.“

Криогениката, разбира се, е силно енергоемък процес и екипът на Deakin откри, че неговият процес на топкова мелница може да бъде настроен така, че да отделя газовете също толкова ефективно, използвайки много по-малко енергия. Те откриха, че различни газове се абсорбират при различни интензитети на смилане, газови налягания и периоди от време. След като първият газ се абсорбира в праха, той може да бъде отстранен и процесът може да се стартира отново с различен набор от параметри за улавяне и съхраняване на следващия газ. По същия начин някои газове се отделят от праховете при по-високи температури от други, предлагайки втори начин за разделяне на газовете, ако се съхраняват заедно.

В експериментите на екипа те успяха да отделят комбинация от газове алкин, олефин и парафин, използвайки прах от борен нитрид. Процесът отнема известно време – някои газове се абсорбират напълно след два часа, други все още се абсорбират само частично след 20 часа. Но Чен казва, че това трябва да е просто въпрос на фина настройка: „Ние продължаваме да работим върху различни газове, използвайки различни материали. Надяваме се скоро да публикуваме друга статия и също така очакваме да работим с индустрията върху някои реални практически приложения.”

Изследователите на Deakin в областта на нанотехнологиите д-р Srikanth Mateti (вляво) и професор Ian Chen казват, че техният пробив в механохимичното отделяне и съхранение на газове може да има огромни последици в много индустрии
Изследователите на Deakin в областта на нанотехнологиите д-р Srikanth Mateti (вляво) и професор Ian Chen казват, че техният пробив в механохимичното отделяне и съхранение на газове може да има огромни последици в много индустрии

Университет Дикин

Дори и да отнеме известно време, спестяванията на разходи – и спестяванията на енергия, и спестяванията на вредни емисии – представляват изключителни аргументи за широко приемане. „Енергията, консумирана от 20-часов процес на смилане, е 0,32 щатски долара“, гласи вестникът. „Изчислено е, че процесът на адсорбция на газ с топкова мелница изразходва 76,8 KJ/s за отделяне на 1000 литра (220 gal) смес от олефин/парафин, което е с два порядъка по-малко от процеса на криогенна дестилация.“

Дори когато вземете предвид енергията, необходима за нагряване на праха до няколкостотин градуса и освобождаване на газа, процесът е изключително ефективен. А криогенната дестилация е жизненоважен и изключително енергоемък процес – според едно проучване от 2016 г., публикувано в Nature, криодитилативното отделяне само на олефините пропен и етен, които са необходими за пластмасите, изразходва приблизително толкова енергия в световен мащаб, колкото цял Сингапур – 0,3% от цялото световно потребление на енергия. Дестилацията като цяло е отговорна за огромните 10-15% от световното потребление на енергия. Така че тук има възможност тази технология да има огромен принос в световен мащаб.

Съхранение на водород в твърдо състояние: Друга област с огромен потенциал

Случаят на използване на отделянето на газ би бил доста огромен напредък сам по себе си, но чрез сигурното съхранение на газа в прахове екипът вярва, че също така е отключил завладяващ начин за съхранение и транспортиране на водород, който може да играе ключова роля в предстоящия преход към чиста енергия .

В момента чистият водород се съхранява или като газ, или като криогенна течност. Газообразната форма трябва да се съхранява при около 700 пъти нормалното атмосферно налягане на морското равнище или повече от 10 100 psi, което означава, че има значителна вложена енергия за компресирането й и изисква резервоари за съхранение, способни да се справят безопасно с големи натоварвания под налягане. Течната форма трябва да се охлади до под точката на кипене на водорода при атмосферно налягане: само 20,28 K (−252,87 °C, −423,17 °F) и трябва да се държи на студено и понякога под налягане, докато го съхранявате. Това отнема още повече енергия.

Съхраняването на сгъстен водороден газ в бутилки е енергоемко и изисква тежко оборудване
Съхраняването на сгъстен водороден газ в бутилки е енергоемко и изисква тежко оборудване

„Научната общност се опитва да намери подходящ материал от типа на гъба, който може да съхранява големи количества водород в продължение на поне половин век“, казва Чен. „Техниката, която наскоро съобщихме, е за парафин, но можем да съхраняваме много повече водород. Не изисква много енергия и е безопасна; при нормални условия е доста стабилна и водородът няма да бъде освободен, освен ако не се нагрее до няколкостотин градуса. Така че има реална надежда това да се превърне в практична технология за съхранение в твърдо състояние – не само за водород, но и за амоняк и други горивни газове.”

Докато нагряването на праха до няколкостотин градуса звучи като енергоемък процес, Чен казва, че двупосочното пътуване от газ към прах и обратно към газ използва много по-малко енергия, отколкото дори само компресиран газ.

„Трудно е да се дадат точни цифри“, казва той, „защото в момента провеждаме само експерименти в малък мащаб в сравнение с изследването за отделяне на газове. Но ние вярваме, че използва може би една трета или дори една четвърт от енергията, необходима за компресирайте водороден газ. И това може да се подобри в по-големи мащаби или чрез оптимизиране на условията на смилане и материалите. Работим върху намаляване на енергията, необходима за освобождаване на газа – и колкото повече газ съхранявате, толкова по-малко енергия е необходима за пусни го. Но има още много работа.”

С водорода, безопасно съхраняван в праха, той може да се придвижва и складира изключително лесно и безопасно – това може да бъде много завладяващ начин за преместване на големи количества водород за износ или разпространение, тъй като е едновременно по-евтин и по-лесен за работа от газ или течност , а оборудването, необходимо за освобождаване на газа за използване в другия край, ще бъде доста просто.

Чен казва, че прахът може да има потенциал и като директно гориво за автомобили и камиони. „Може да има предимства и в мобилните приложения“, казва той, „което в момента е най-предизвикателният проблем в общността на водородната енергия. Но ако искате да направите това в превозно средство, трябва да помислим за подходящ резервоар или контейнер, как да го пусна с контролирана скорост и скорост, как ще изглежда процесът на зареждане с гориво… ще изисква повече допълнителна работа.”

Как се справя по отношение на плътност по обем и тегло? Чен ни казва, че прахът може да съхранява водороден тегловен процент от около 6,5%. „Всеки един грам материал ще съхранява около 0,065 грама водород“, казва той. „Това вече е над целта от 5%, определена от Министерството на енергетиката на САЩ. И по отношение на обема, за всеки грам прах искаме да съхраняваме около 50 литра (13,2 галона) водород там.“

Наистина, ако екипът докаже тези числа, те биха представлявали мигновено удвояване на най-добрите настоящи масови фракции за съхранение на водород в твърдо състояние, които, според Air Liquideможе да управлява само 2-3%.

Водещият изследовател д-р Срикант Матети (вляво) и професор Иън Чен със стоманените топки, използвани в процеса на смилане
Водещият изследовател д-р Срикант Матети (вляво) и професор Иън Чен със стоманените топки, използвани в процеса на смилане

Университет Дикин

Въпреки това е сложно да се сравняват тези тегловни и обемни плътности с газообразен или течен водород – в уравнението влизат много фактори. Петдесет литра (11 галона) на грам звучи като огромно количество, например, но при атмосферно налягане водородът е 467 пъти по-малко плътен, отколкото когато е компресиран до 700 бара в резервоар. Така че всеки грам прах наистина ще съхранява приблизително същото количество водород като 0,11 литра (3,62 течни унции) сгъстен H2 газ.

По същия начин 6,5% звучи като много малка част от теглото – за всеки килограм водород, който носите, трябва да мъкнете и 14,4 килограма борен нитрид. Това би трябвало да е убиец за всеки чувствителен към теглото случай на употреба, нали? Не съвсем – както веднъж ни каза Вал Мифтахов от ZeroAvia, настоящите резервоари за компресиран водород са много по-тежки от горивото, което превозват, така че все още носите поне 9 кг резервоар за всеки 1 кг водород вътре. Така че, докато прахът все още ще се нуждае от собствен контейнер и система за освобождаване на топлина, добавени към теглото на системата, той може да не е толкова далеч от стандарта.

Със сигурност не изглежда като решение за авиацията, особено като се имат предвид свръхлеките резервоари за криогенна течност GTL, които разгледахме през април, за които се твърди, че повишават масовата част на водорода с над 50%, дори с цялото спомагателно оборудване, което позволява на самолетите, задвижвани с водород, да летят четири пъти по-далеч от сегашните самолети с реактивно гориво, срещу половината от цената на горивото.

Но авиацията е особено чувствителен към теглото транспортен клас. Изолираният от прах водород може да се окаже толкова евтин, удобен и лесен за боравене, че да се превърне в безмозък при превозите на дълги разстояния, например. „Ние наистина искаме да си сътрудничим с някои компании за камиони“, казва Чен, „защото нашето съхранение е много над настоящите най-добри резултати. Искаме да работим с тях, за да видим какви предизвикателства може да има, за да направим тази технология полезна в превозните средства. , имаме нужда от подкрепа на индустрията.”

Борният нитрид е лесно достъпен в индустриални количества и сравнително евтин, но Чен казва, че техниката трябва да работи и с други материали. „Ние не сме ограничени до борния нитрид“, казва той, „ние просто го използваме като пример. Можете също така да използвате графен, за да вземете друг пример, и ние продължаваме да изследваме други материали.“

Ясно е, че този напредък има някои потенциално огромни последици, които биха могли да допринесат значително за намаляване на потреблението на енергия, намаляване на емисиите, преход към зелена енергия и дори намаляване на цените на горивата и химикалите. Екипът е подал временни патентни заявки и очакваме с нетърпение да научим какво е възможно, тъй като методът е усъвършенстван и пригоден за полезни приложения.

Изследването е публикувано в списанието Материали днес.

източник: Университет Дикин



Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели