Tvari energijos gamyba naudojant elektrocheminį redukciją

Iliustracijos kreditas: Cortland Johnson | PNNL

Mažos biomasės saugyklos, tokios kaip nuotekos, maisto atliekos ir medienos drožlės, dažnai nepaisomos atsižvelgiant į būsimą tvarų kurą ir chemijos gamybą. Išmetimas įvyksta todėl, kad transportuojant šias medžiagas į didelio masto, centralizuotą biologinę perdirbimo gamyklą, reikėtų daugiau energijos, nei jos pagamina. Tačiau šiose medžiagose yra pakankamai anglies, kad teoriškai būtų galima patenkinti apie 25% JAV transporto degalų poreikio.

Nauja apžvalga, kuriai vadovauja Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos (PNNL) tyrėjai, siūlo sprendimą, kaip užfiksuoti šias nepanaudotas medžiagas: mini perdirbimo gamyklos, esančios netoli biomasės perdirbimo atliekų šaltinių, naudojant atsinaujinančią energiją naudojančias elektrocheminio redukcijos reakcijas.

Neseniai laikraštyje publikuotame darbe Cheminės apžvalgos, mokslininkai surenka daugiau nei 100 metų cheminės informacijos, kad reikalingos teorijos, medžiagų ir reaktoriaus projektavimo metu mini perdirbimo gamyklos būtų veiksminga pramoninės biomasės perdirbimo dalis.

“Šiame darbe paaiškinama koncepcinė sistema, reikalinga šimtmečių tyrimams pritaikyti realiame pasaulyje”, – sakė laboratorijos cheminės transformacijos iniciatyvai vadovaujantis PNNL informatikas Rogeris Rousseau. Per pastaruosius ketverius metus iniciatyva buvo tiriama pagrindinė elektrochemija, katalizatoriaus konstrukcija ir reaktoriaus konstrukcija, reikalinga pagrindinėms funkcinėms perdirbimo įmonėms.

„Biomasės“ mini perdirbimo gamykla

Iliustracijos kreditas: Nathan Johnson | PNNL

Elektrocheminio redukcijos metu gaunami švaresni produktai iš žaliavų iš biologinių medžiagų

Sanitarijos, maisto atliekų ir augalų atliekų pavertimas kuru yra iššūkis būtinoms molekulinėms transformacijoms. Pirmasis šios konversijos žingsnis yra biomasės skaidymas aukštoje temperatūroje, kad gautų žalią bioaliejų. Šiame aliejuje yra tokių molekulių kaip aldehidai, ketonai, esteriai, rūgštys ir fenoliai, kuriuose yra daug deguonies atomų.

Tačiau kurą sudaro skirtingos angliavandenilių molekulės, kuriose vandenilio yra daugiau nei deguonies.

Norint pridėti vandenilio į molekules, kuriose yra daug deguonies, reikalingos cheminės transformacijos, vadinamos redukcijos reakcijomis. Norint atlikti šias bioaliejaus reakcijas, esami pramoniniai procesai yra bombarduojami vandenilio dujomis aukštoje temperatūroje ir slėgyje.

Dideliu mastu šiose reakcijose susidariusi šiluma surenkama ir pakartotinai naudojama atliekant kitus valymo veiksmus. Tai maksimaliai padidina bendrą energijos vartojimo efektyvumą. Tačiau mažose svarstyklėse ši šiluma prarandama ir vėl nenaudojama. Tai reiškia, kad norint atliekas perdirbti vietoje nedideliu mastu, reikalingi kiti metodai, kaip reaguoti į redukciją.

Gerai žinomos elektrocheminės redukcijos reakcijos yra lengvesnių sąlygų kelias, reikalingas didelio efektyvumo mini perdirbimo įmonėms. Šiose reakcijose elektra ir katalizatorius, o ne dujos ir šiluma, skatina molekulines transformacijas. Kitos mišinio molekulės gali būti plaunamos vienu metu, kad reakcijos metu gautų vandenilio atomus.

Palyginti su termocheminiu redukavimu vandenilio dujomis, specifinių bioaliejaus molekulių elektrocheminis redukavimas gali įvykti greičiau, nedidinant reakcijos temperatūros ir gaminant mažiau šalutinių produktų. Tai reiškia, kad gamyboje reikia mažiau valymo žingsnių, o tai pagerina viso proceso energijos vartojimo efektyvumą.

Biokuras transportui

Iliustracijos kreditas: Nathan Johnson | PNNL

Daugiadisciplininis pagrindinis mokslas, informuojantis apie pramonines programas

Pagrindinė elektrocheminė transformacija, reikalinga elektrocheminėms transformacijoms, buvo žinoma daugelį amžių. Tačiau didžioji šio darbo dalis buvo atlikta atliekant sudėtinių modelių, vaizduojančių iš biomasės gautas molekules, laboratorinius tyrimus.

Šiame tyrime mokslininkai paaiškina informaciją, kuri vis dar reikalinga, kad šios reakcijos būtų iš laboratorijos. Ši informacija apima tyrimus, sukuriančius naujus katalizatorius, galinčius apdoroti sudėtingus bioaliejuje esančių molekulių mišinius, taip pat elektrocheminę analizę, kad būtų sukurti efektyviai energiją vartojantys procesai.

“Ši apžvalga parodo elektrocheminių konversijų gebėjimą perdirbti bioaliejų ir parodo, kaip optimizuoti reakcijas, kad jas būtų galima panaudoti nepaaiškinant principų”, – sakė PNNL skaičiavimo mokslininkė Vanda Glezakou.

PNNL cheminio transformavimo iniciatyva suteikia unikalią galimybę atlikti šį darbą, nes suburia katalizės srities mokslininkus su elektrochemijos srities specialistais. Šios skirtingos perspektyvos kartu leidžia suprasti pagrindinius principus, kuriais vadovaujamasi atliekant visus elektrokatalizės reakcijos etapus. Tyrėjai gali naudoti šią plačią bazę sutelkdami dėmesį į esamas mokslo programas ir susiedami konkrečias reakcijas su konkrečiais gamybos etapais.

“Mes sužinojome, kad biomasės perdirbimas vietiniu mastu gali prisidėti prie tvarios kuro ir cheminių medžiagų gamybos”, – sakė Glezakou. “Daugiadisciplininis mokslas, kurį atliekame PNNL, pateikia visapusišką požiūrį, kuris padės mums suprasti, kurios cheminės transformacijos yra tinkamiausios konkretiems pramoninio proceso etapams.”

Nuoroda: Sneha A. Akhade, Nirala Singh, Oliver Y. Gutiérrez, Juan Lopez-Ruiz, Huamin Wang, Jamie D. Holladay, Yue Liu, Abhijeet Karkamkar, Robert S. Weber, Asanga B. Padmaperuma, Mal-Soon Lee, Greg A. Whyatt, Michael Elliott, Johnathan E. Holladay, Jonathan L. Male, Johannes A. Lercher, Roger Rousseau ir Vassiliki-Alexandra Glezakou, 2020 m. Rugsėjo 17 d., Cheminės apžvalgos.
DOI: 10.1021 / acs.chemrev.0c00158

PNNL cheminio transformavimo iniciatyvą finansuoja laboratorijos vadovaujama tyrimų ir plėtros programa.

Apžvalgos autoriai yra Sneha A. Akhade, PNNL ir Lawrence Livermore nacionalinė laboratorija; Nirala Singh, PNNL ir Mičigano universitetas; Oliveris Y. Gutierrezas, PNNL; Juanas Lopezas-Ruizas, PNNL; Huaminas Wangas, PNNL; Jamie D. Holladay, PNNL; Yue Liu, TU Miunchenas; Abhijeet Karkamkar, PNNL; Robertas S. Weberis, PNNL; Asanga B. Padmaperuma, PNNL; Mal-Soon Lee, PNNL; Gregas A. Whyattas, PNNL; Michaelas Elliottas, PNNL; Johnathan E. Holladay, PNNL; Jonathanas L. Male, PNNL; ir Johannesas A. Lercheris, PNNL ir TU Miunchenas.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Pažymėtinos giliavandenės Veneros gėlių kempinių struktūros, kurios yra naudingos kuriant laivus, lėktuvus ir dangoraižius

Euplectella aspergillum stiklo kempinės struktūra structure už hidrodinaminio lauko ribų. Pramonė buvo perstatyta naudojant CINECA superkompiuterius. Kinetinė metodika և Pažangūs skaičiavimo kodai...

Didžiausia aplinkos šalinimo kaukė – ir kaip ją sumažinti

Naujas tyrimas nustatė naudojamo N95 išeikvojimą ir pasiūlė tinkamus būdus jį sumažinti. Nuo praėjusiais metais prasidėjusios „Covid-19“ epidemijos, užrištos akys tapo dar viena sveikatos apsaugos...

Neuromediatorių lygis smegenyse nuspėja matematinius sugebėjimus

Skenavimas buvo baigtas 1 ir 2 metu (maždaug po 1,5 metų) kiekvienoje iš penkių amžiaus grupių (6-erių, 10-mečių, 14-mečių, 16-mečių ir 18 metų) -metukai)....

Genetikai atskleidžia mutacijas, sukeliančias sunkų vaikystės vėžį – vartokite vaistus, kad pašalintumėte jų šalutinį poveikį

Trejybės koledžo genetikai atrado specifinio geno, vadinamo H3K27M, mutaciją, sukeliančią neišgydomą vaikystės vėžį, vadinamą diffi midi glioma (DMG). Augimas taikant tikslinius vaistus. Jų istoriniai...

Neigiamų jonų sulaikymas tarpžvaigždinėje erdvėje

Kaip tarpžvaigždinėje aplinkoje kuriamos neigiamai įkrautos molekulės? Tarpžvaigždiniai debesys yra naujų žvaigždžių gimtinė. Tačiau jie taip pat vaidina pagrindinį vaidmenį formuojant gyvenimą visatoje per...

Newsletter

Subscribe to stay updated.