利用微波等离子体技术减少温室气体排放

时间:2020-04-30 21:32 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

利用微波等离子体技术减少温室气体排放

宾夕法尼亚州立大学EMS能源研究所(Penn State EMS Energy Institute)的研究人员与一家位于匹兹堡的初创公司建立了多学科合作关系,这可能是减少全球温室气体排放的答案,同时也为破坏化学和材料行业铺平了道路。

教授自2015年以来,兰迪·范德细胞膜能源和矿产工程和材料科学与工程和附属EMS能源研究所已经与H追求先锋越来越多的合作项目,利用公司的等离子体技术使潜在的新,non-emissive煤和天然气的使用。

“宾州州立大学材料特性实验室的独特能力为了解H Quest等离子体材料的特性提供了宝贵的见解,这对建立一个适合商业化的产品至关重要,”H Quest首席执行官George Skoptsov说。

这次合作已经促成了5个研究项目,目标是在21世纪将煤炭和天然气改造成清洁、经济有效的燃料和高性能材料来源。

减少温室气体排放

虽然地球的气候在历史上一直在变化,但目前的科学共识是,目前的全球变暖趋势很可能是人类活动的结果,即由于燃烧化石燃料而排放的温室气体。

改用更清洁的燃料被认为是减少这些排放的关键组成部分。特别是氢,是一种很有前途的能源载体,因为燃烧它只产生水而不产生二氧化碳。但是纯分子形式的氢非常罕见。然而,它以水的形式存在——质量占11%的氢——和天然气的主要成分甲烷——质量占25%的氢。事实上,根据美国能源部的数据,目前美国95%的氢燃料是从天然气中提取的。

最广泛使用的制氢工业过程——蒸汽-甲烷转化——将天然气中的甲烷加热,利用蒸汽产生一氧化碳和氢气。不幸的是,这个过程会产生大量的温室气体排放,消耗大量的水。

甲烷热分解将天然气加热到超过2000华氏度,分解碳氢化合物分子,提取氢气作为气体,留下固体碳。在此过程中引入催化剂可以降低所需的温度,但同时也引入了将固体碳从催化剂表面分离的问题。总的来说,由于与加热相关的限制,这个过程仍然是一个昂贵的、能源密集型的、温室气体排放的过程。

奎斯特公司的微波等离子体技术以一种新颖的方式催化反应,使气体的加热速度达到每秒1000华氏度,这是锅炉、熔炉、热交换器或感应加热器等传统加热技术所无法达到的。

由于可再生电力可以为微波提供能量,而甲烷分解不需要氧气,利用微波等离子体技术从天然气中提取氢气可以完全避免温室气体的排放。此外,微波等离子体技术使化学转化工厂的模块化、小规模、低资本配置,使化工行业更加高效、高效、灵活和有竞争力。

在最近由美国能源部资助的基础和应用化石能源研究项目大学联盟中,Vander Wal希望进一步了解H Quest反应堆的工艺条件是如何定义碳产品参数的。

这项工作的关键是材料的功能特性实验室,拥有各种各样的表征技术领域的显微镜、能谱、表面分析和热物理技术,这将有助于解释为什么不同的材料显示不同的属性和行为。

该项目名为“微波驱动、等离子体辅助的甲烷制氢和石墨烯转化的优化”,旨在确定反应器设计和制氢工艺条件,从而调整碳产品特性,评估甲烷转化、产品产量和选择性。

目标是发展碳产品形式、特性和工艺参数之间的关系。这样的关系将允许特定碳形态的选择性生产和调整它们的物理化学性质的能力。研究人员希望这将导致下一代氢技术的出现,从而能够利用搁浅的国内能源资源,如搁浅的天然气储备,同时使氢原料多样化。

如果成功,它还可以降低与大规模氢能源产品相关的成本;创造市场需求、技术和基础设施,以实现氢能源的部署;并使用国内天然气制造能源和合成碳产品。

“天然气的微波处理代表了化石燃料的脱碳,同时也为氢经济铺平了道路,”Vander Wal说。

它还将开辟一条通向更清洁、更低成本碳产品的道路。例如,石墨烯是一种比钢更强、比铜更导电的材料。

“石墨烯作为混凝土的添加剂,可以提高强度和耐久性,有助于改善基础设施,同时隔离大规模的碳/石墨烯生产,”Vander Wal说。

宾夕法尼亚州立大学EMS能源研究所的研究人员和H Quest也通过国家科学基金会小企业技术转移项目奖进行合作,以测试该公司在这些角色中的材料。他们还通过美国能源部国家能源技术实验室的一项奖励,研究微波等离子体将煤转化为碳产品的应用。

从活性炭到3d打印塑料,再到用于钢铁和铝冶炼的工业碳电极,等离子衍生产品的广度是巨大的,可能性是不可估量的,Skoptsov说。

“煤是现代工业有机化学的基础,”他补充说。从阿司匹林到尼龙,如此多的合成产品都是用煤生产的,直到20世纪50年代,煤在廉价石油时代成为了发电的代名词。这项研究将开启我们作为高性能材料来源的化石资源的真正价值,但它将以一种比以往任何时候都更可持续、更经济的方式实现这一价值。”

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