H χρήση αιθυλενίου
Το αιθυλένιο βρίσκεται στο επίκεντρο της σύγχρονης κατασκευής. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή πλαστικών και πολλών άλλων καθημερινών υλικών, αλλά η παραγωγή του συχνά συνοδεύεται από μια σημαντική κλιματική επιβάρυνση. Για κάθε τόνο αιθυλενίου που παράγεται, παράγεται ένας τόνος διοξειδίου του άνθρακα. Με περισσότερους από 300 εκατομμύρια τόνους αιθυλενίου που παράγονται κάθε χρόνο, αυτό συνιστά μια τεράστια πηγή εκπομπών που οι ερευνητές θέλουν να συρρικνώσουν και τελικά να απομακρύνουν.
Σε μια νέα μελέτη από το Πανεπιστήμιο Northwestern, η ομάδα του Ted Sargent αναφέρει έναν ηλεκτρολύτη που έχει σχεδιαστεί για να ωθήσει την παραγωγή αιθυλενίου προς ένα καθαρότερο μοντέλο συνδέοντας τα απόβλητα και την ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια.
Η πράσινη μετατροπή του αερίου
Η συσκευή χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να μετατρέψει το αέριο σύνθεσης σε αιθυλένιο. Το αέριο σύνθεσης είναι ένα μείγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου που μπορεί να παραχθεί με την αεριοποίηση πλαστικών αποβλήτων. Αυτό το σημείο εκκίνησης έχει σημασία επειδή μπορεί να είναι ευκολότερο να αναβαθμιστεί το αέριο σύνθεσης σε πολύτιμες χημικές ουσίες από ό,τι να κατασκευαστούν τα ίδια προϊόντα απευθείας από διοξείδιο του άνθρακα. Οι ερευνητές εισήγαγαν επίσης ένα νέο υλικό που βοηθά την αντίδραση να εκτελείται αποτελεσματικά και κατασκεύασαν το σύστημα για να μειώσουν τη συνολική απαιτούμενη ενέργεια.
Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Energy, υποδεικνύουν μια πιθανή οδό για την παραγωγή αιθυλενίου με ανανεώσιμη ενέργεια, μειώνοντας την ανάγκη για εισροές ορυκτών καυσίμων κατά μήκος της αλυσίδας εφοδιασμού.
«Στόχος μας είναι να απανθρακώσουμε τις χημικές ουσίες», δήλωσε ο Sargent. «Και αυτή η εργασία είναι ένα μεγάλο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση».
Ο Sargent είναι καθηγητής Χημείας Lynn Hopton Davis και Greg Davis στο Κολλέγιο Τεχνών και Επιστημών Weinberg του Northwestern και καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στη Σχολή Μηχανικών McCormick του Northwestern.
«Θέλουμε να δημιουργήσουμε ένα κυκλικό σύστημα που δημιουργεί χημικά δομικά στοιχεία από απόβλητα χωρίς τη χρήση ορυκτών καυσίμων», δήλωσε ο Ke Xie, μέλος του διδακτικού προσωπικού στη χημεία στο Weinberg. «Και αυτό το σύστημα είναι μέρος αυτής της νέας αλυσίδας εφοδιασμού με αποδοτικότητα ατόμων και ενεργειακή απόδοση».
Δημιουργία ενέργειας από απόβλητα
Σήμερα, το μεγαλύτερο μέρος του αιθυλενίου παράγεται μέσω πυρόλυσης με ατμό, μιας διαδικασίας που χρησιμοποιεί ατμό υψηλής θερμοκρασίας για να διασπάσει το αργό πετρέλαιο σε μικρότερα χημικά συστατικά. Ενώ είναι αποτελεσματική, αυτή η μέθοδος βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε ορυκτά καύσιμα και καταναλώνει μεγάλες ποσότητες ενέργειας.
Οι επιστήμονες διερευνούν τρόπους για να το αντικαταστήσουν με διαδικασίες που βασίζονται στην ηλεκτρική ενέργεια και τροφοδοτούνται από ανανεώσιμες πηγές. Μια πιθανότητα είναι η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα απευθείας σε αιθυλένιο. Ωστόσο, αυτή η αντίδραση απαιτεί σημαντική ενεργειακή εισροή, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον ανταγωνισμό με τις υπάρχουσες βιομηχανικές μεθόδους.
Αντίθετα, η ομάδα του Sargent επικεντρώθηκε στο αέριο σύνθεσης, το οποίο παράγεται με τη θέρμανση πλαστικών αποβλήτων σε περιβάλλον χαμηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο. Το αέριο σύνθεσης περιέχει μονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο. Επειδή είναι χημικά πιο κοντά στο αιθυλένιο από ό,τι το διοξείδιο του άνθρακα, η μετατροπή του σε αιθυλένιο απαιτεί λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια.
Ένα διαφορετικό είδος ηλεκτρολύτη
Για να καταστεί πρακτική αυτή η μετατροπή, οι ερευνητές χρειάστηκε να σχεδιάσουν ένα διαφορετικό είδος ηλεκτρολύτη, ένα κελί που χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για την οδήγηση χημικών αντιδράσεων. Οι περισσότεροι ηλεκτρολύτες βασίζονται σε υγρό νερό αναμεμειγμένο με διαλυμένα άλατα που παρέχουν τόσο θετικά όσο και αρνητικά ιόντα.
Η ομάδα διερεύνησε εάν θα μπορούσε να κατασκευάσει ένα σύστημα που λειτουργεί με αέρια και στις δύο πλευρές της αντίδρασης. Στο σχεδιασμό τους, το μονοξείδιο του άνθρακα από το αέριο σύνθεσης θα εισερχόταν από τη μία πλευρά (την κάθοδο), ενώ το υδρογόνο θα τροφοδοτούνταν από την άλλη (την άνοδο).
Μια νέα συσκευή που λειτουργεί με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
Το αλάτι παρέχει τα θετικά ιόντα (κατιόντα) που χρειάζεται ο καταλύτης χαλκού της συσκευής για να σταθεροποιήσει βασικά ενδιάμεσα στην αντίδραση. Ο Bosi Peng, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο και πρώτος συγγραφέας της εργασίας, αναζήτησε το σωστό υλικό που θα μπορούσε να παγιδεύσει αυτά τα ιόντα διατηρώντας τα παράλληλα αρκετά χαλαρά ώστε να αντιδρούν μέσα στο σύστημα.
«Χρειαζόταν να βρούμε ένα υλικό σε αυτή τη ζώνη Goldilocks για να κατασκευάσουμε έναν επιτυχημένο ηλεκτρολύτη», είπε ο Sargent. «Και ο Bosi βρήκε έναν νέο τρόπο να λύσει αυτό το δύσκολο πρόβλημα, κάτι που ήταν πραγματικά συναρπαστικό».
Το υλικό, πολυακρυλικό νάτριο (PANa), δημιουργεί ένα μικροπεριβάλλον μέσα στο σύστημα που μιμείται ένα υγρό λουτρό άλατος, διατηρώντας παράλληλα το σύστημα στεγνό από υγρό νερό. Το αποτέλεσμα είναι μια διαδικασία που είναι περισσότερο από 60% πιο αποτελεσματική από τις πιο ενεργειακά αποδοτικές προηγούμενες ηλεκτροφόρες διαδικασίες που μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα σε αιθυλένιο.
«Η ηλιακή και η αιολική ενέργεια είναι πολύ φθηνές πηγές ενέργειας, αλλά έρχονται και παρέρχονται», είπε. «Χρειαζόμασταν να δημιουργήσουμε μια συσκευή που θα μπορούσε να αντιμετωπίσει την διαρκή ενέργεια, και διαπιστώσαμε ότι αυτό το σύστημα μπορούσε να το κάνει αυτό. Ένα βασικό συστατικό για να το πετύχουμε αυτό ήταν η αφαίρεση του υγρού νερού με την υψηλή συγκέντρωση άλατος στον ηλεκτρολύτη.
Τελικά, ο στόχος είναι να δημιουργηθεί μια συσκευή που μπορεί να κλιμακωθεί ώστε να χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία για να συνεχίσει να μειώνει το αποτύπωμα άνθρακα του αιθυλενίου.
www.worldenergynews.gr
