Австралийски учени твърдят, че са направили пробив в областта на сепарирането и съхранението на газове, който би могъл радикално да намали потреблението на енергия в нефтохимическата промишленост, като в същото време направи водорода много по-лесен и безопасен за съхранение и транспортиране в прахообразна форма.
Изследователите в областта на нанотехнологиите от Института за авангардни материали към Университета Дикин, заявяват, че са открили свръхефективен начин за механохимично улавяне и задържане на газове в прахообразни вещества, което може да има огромни и широкообхватни последици за промишлеността.
Механохимията е сравнително нов термин, който се отнася до химични реакции, предизвикани от механични сили, за разлика от топлината, светлината или разликите в електрическия потенциал. В този случай механичната сила се осигурява от топковото смилане - нискоенергиен процес на смилане, при който цилиндър, съдържащ стоманени топчета, се върти така, че топчетата се търкалят нагоре, след което отново падат надолу, като раздробяват и преобръщат материала вътре.
Екипът е демонстрирал, че смилането на определени количества от определени прахове с точно определени нива на налягане на определени газове може да предизвика механохимична реакция, която абсорбира газа в праха и го съхранява там, като по същество се получава твърд носител, който може безопасно да съхранява газовете при стайна температура, докато не станат необходими. Газовете могат да бъдат освободени при нужда чрез нагряване на праха до определена температура.
Механохимично разделяне на газове с помощта на топково смилане. Кредит: Deakin University
Процесът може да се повтори, а професор Ян Чън (Ian Chen), съавтор на новото изследване, публикувано в списание Materials Today, разказва, че използваният в първите експерименти прах от боров нитрид губи само "около няколко процента" от способността си за абсорбиране при всеки цикъл на съхранение и освобождаване.
"Бороновият нитрид е много стабилен", посочва професор Чън, "както и графенът. Разглеждаме възможност за възстановяване на праховете, която може да ги пречисти и да възстанови нивата им на абсорбция, но трябва да докажем, че това ще работи."
Революционно обновяване на огромната индустрия за сепариране на газове
Резултатите са абсолютно забележителни от гледна точка на ефективност. Този процес например може да отдели въглеводородни газове от суровия петрол, като използва по-малко от 10% от енергията, която е необходима днес.
"Понастоящем бензиновата индустрия използва криогенен процес", обяснява Чън. "Няколко газа се събират заедно, така че, за да ги пречистят и отделят, те охлаждат всичко до течно състояние при много ниска температура и след това нагряват всичко заедно. Различните газове се изпаряват при различни температури и така ги разделят."
Криогениката, разбира се, е много енергоемък процес и екипът от Университета открива, че процесът на смилането в топкови мелници може да бъде настроен така, че да отделя газове също толкова ефективно, използвайки много по-малко енергия. Те са установили, че различните газове се абсорбират при различна интензивност на смилане, налягане на газа и период от време. След като първият газ бъде абсорбиран в праха, той може да бъде отстранен и процесът може да бъде повторен с различен набор от параметри, за да се улови и съхрани следващият газ. По същия начин някои газове се освобождават от праховете при по-високи температури от други, което предлага втори начин за разделяне на газовете, ако се съхраняват заедно.
В експериментите екипът успява да отдели комбинация от алкин, олефин и парафин с помощта на прах от боров нитрид. Процесът отнема известно време - някои газове са напълно абсорбирани след два часа, а други все още са само частично погълнати след 20 часа. Но Чън уточнява, че това би трябвало да е въпрос на фина настройка:
"Продължаваме да работим с различни газове, използвайки различни материали. Надяваме се скоро да публикуваме още една статия, а също така очакваме да работим с индустрията по някои реални практически приложения."
Дори това да отнеме известно време, икономиите на разходи, енергия и емисии са изключителен аргумент за широкото разпространение на метода.
"Енергията, консумирана за 20-часов процес на смилане, е 0,32 щ.д.", се казва в документа. "Според изчисленията процесът на адсорбция на газ при смилането в топкови мелници консумира 76,8 KJ/s за отделяне на 1000 литра смес от олефини и парафини, което е с два порядъка по-малко от процеса на криогенна дестилация."
Дори когато се вземе предвид енергията, необходима за нагряване на праха до няколкостотин градуса за 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, криодестилационното разделяне само на олефините пропен и етен, които са необходими за пластмасите, консумира в световен мащаб толкова енергия, колкото целият Сингапур - 0,3 % от цялото световно потребление на енергия. Дестилацията като цяло е отговорна за 10-15 % от световното потребление на енергия. Така че тази технология има възможност да даде огромен принос в световен мащаб.
Резервоар за гориво течен водород. Кредит: Wikimedia Commons
Съхранение на водород в твърдо състояние: Друга област с огромен потенциал
Случаят със сепарирането на газ сам по себе си е доста голям напредък, но чрез сигурното съхранение на газ на прах екипът вярва, че е открил и привлекателен начин за съхранение и транспортиране на водород, който може да играе ключова роля в предстоящия преход към чиста енергия.
Понастоящем чистият водород се съхранява или като газ, или като криогенна течност. Газообразната форма трябва да се съхранява при налягане, което е около 700 пъти по-високо от нормалното атмосферно налягане на морското равнище, което означава, че за компресирането му е необходима значителна енергия, а за съхранението му са необходими резервоари, способни да поемат безопасно големи натоварвания под налягане. Течната форма трябва да бъде охладена до температура под точката на кипене на водорода при атмосферно налягане: само 20,28 K (-252,87°C) и трябва да се поддържа студена, а понякога и под налягане, докато се съхранява. Това изисква още повече енергия.
"Научната общност се опитва да открие подходящ материал от типа на гъба, който да може да съхранява големи количества водород поне от половин век", обяснява Чън. "Техниката, за която съобщихме наскоро, е за парафин, но ние можем да съхраняваме много повече водород. Тя не изисква много енергия и е безопасна; при нормални условия е доста стабилна и водородът няма да се освободи, освен ако не се нагрее до няколкостотин градуса. Така че има реална надежда това да се превърне в практическа технология за съхранение в твърдо състояние - не само за водород, но и за амоняк и други горивни газове."
Въпреки че нагряването на праха до няколкостотин градуса звучи като енергоемък процес, Чyн казва, че цикличният път от газ до прах и обратно до газ използва много по-малко енергия, отколкото дори само за компресия на газа.
"Трудно е да се дадат точни цифри". коментира Чън, "защото в момента провеждаме само експерименти в малък мащаб. Но смятаме, че се използва може би една трета или дори една четвърт от енергията, която е необходима за компресиране на водороден газ. И това може да бъде подобрено в по-големи мащаби или чрез оптимизиране на условията и материалите за смилане. Работим върху намаляването на енергията, необходима за отделянето на газа - а колкото повече газ се съхранява, толкова по-малко енергия е необходима за отделянето му. Но все още има много работа за вършене."
Когато водородът се съхранява безопасно на прах, той може да бъде пренасян и складиран изключително лесно и безопасно - това би могло да бъде много привлекателен начин за пренасяне на големи количества водород за износ или дистрибуция, тъй като той е по-евтин и по-лесен за обработка от газа или течността, а оборудването, необходимо за освобождаване на газа за използване в края, ще бъде доста просто.
Според Чен прахът може да има потенциал и като директно гориво за леки и товарни автомобили.
"Той може да има предимства и при автомобилните приложения", смята той, "което в момента е най-предизвикателният въпрос 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 освобождаваме с контролирана скорост, как ще изглежда процесът на зареждане с гориво ... това ще изисква още допълнителна работа."
Как се представя по отношение на плътността по обем и теглото? Чън разказва, че прахът може да съхранява тегловното съдържание на водород от около 6,5 %. "Всеки един грам от материала ще съхранява около 0,065 грама водород", обяснява той. "Това вече е над целта от 5%, определена от Министерството на енергетиката на САЩ. А по отношение на обема, за всеки един грам прах трябва да съхраняваме около 50 литра водород."
Всъщност, ако екипът докаже тези данни, това ще представляват незабавно удвояване на най-добрите настоящи масови фракции за съхранение на водород в твърдо състояние, които според Air Liquide могат да се справят само с 2-3%.
Сравнението на тези плътности по тегло и обем с газообразен или течен водород обаче е сложно - в уравнението влизат много фактори. Петдесет литра на грам звучи като огромно количество, но при атмосферно налягане водородът е 467 пъти по-малко плътен, отколкото когато е сгъстен до 700 бара в резервоар. Така че всеки грам прах наистина ще съхранява приблизително същото количество водород като 0,11 литра сгъстен газ H2.
По същия начин 6,5 % звучи като много малка част от теглото - за всеки килограм пренесен водород, трябва да се пренася и 14,4 килограма боров нитрид. Това би трябвало да е убийствено за всеки случай на употреба, чувствителен към теглото, нали?
Не съвсем - сегашните резервоари за сгъстен водород са много по-тежки от горивото, което пренасят, поне 9 кг резервоар за всеки 1 кг водород в него. Така че, макар че прахът все пак ще се нуждае от собствен контейнер и система за освобождаване на топлина, добавени към теглото на системата, новата технология може да е достатъчно ефективна.
"Наистина искаме да си сътрудничим с някои компании за товарни автомобили", казва Чен. "Искаме да работим с тях, за да видим какви предизвикателства може да има, за да направим тази технология полезна в превозните средства. За това се нуждаем от подкрепата на индустрията."
Бороновият нитрид е лесно достъпен в промишлени количества и сравнително евтин, но Чън смята, че технологията би трябвало да работи и с други материали.
"Ние не се ограничаваме до борен нитрид, просто го използваме като пример. Може да се използва и графен, за да вземем друг пример, и продължаваме да изследваме други материали."
Ясно е, че този напредък има потенциално огромни последици, които биха могли да допринесат значително за намаляване на потреблението на енергия, намаляване на емисиите, прехода към зелена енергия и дори намаляване на цените на горивата и химикалите. Екипът е подал предварителни заявки за патент и очакваме с нетърпение да научим какво е възможно, когато методът бъде усъвършенстван и пригоден за полезни приложения.
Справка: Superb storage and energy saving separation of hydrocarbon gases in boron nitride nanosheets via a mechanochemical process
Srikanth Mateti, Chunmei Zhang, Aijun Du, Selvakannan Periasamy, Ying Ian Chen
Materials Today, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.06.004
Източник: Mechanochemical breakthrough unlocks cheap, safe, powdered hydrogen
Loz Blain, New Atlas
Още по темата
Физика
Нов фундаментален закон освобождава енергията на термоядрения синтез
Космос
Лазерите могат да изпращат мисии до Марс само за 45 дни
Животът
Проведоха успешен тестов полет на пътнически самолет, захранван с водород (видео)
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари