Пористый материал, изобретенный в рисовой лаборатории химика Джеймса Тура, улавливает двуокись углерода, парниковый газ, при температуре окружающей среды под давлением, создаваемым устьем скважины, и отпускает его, когда давление сбрасывается. Материал обещает заменить более дорогостоящие и энергоемкие процессы.Результаты исследования публикуются сегодня в журнале Nature Communications.Природный газ — самое чистое ископаемое топливо.
По словам Тур, разработка экономически эффективных средств отделения диоксида углерода в процессе производства улучшит это преимущество перед другими ископаемыми видами топлива и позволит экономично добывать газовые ресурсы с более высоким содержанием диоксида углерода, извлечение которых было бы слишком дорогостоящим с использованием существующих технологий улавливания углерода. . Традиционно диоксид углерода удаляется из природного газа, чтобы соответствовать требованиям трубопроводов.Лаборатория Tour при поддержке Национального института стандартов и технологий (NIST) произвела запатентованный материал, который вытягивает только молекулы углекислого газа из потока природного газа и полимеризует их, находясь под естественным давлением, создаваемым скважиной.Когда давление сбрасывается, диоксид углерода самопроизвольно деполимеризуется и освобождает материал сорбента, чтобы собрать больше.
Все это работает при температуре окружающей среды, в отличие от современных технологий высокотемпературного улавливания, которые потребляют значительную часть производимой энергии.«Если нефтегазовая промышленность не отреагирует на озабоченность по поводу углекислого газа и других выбросов, она вполне может столкнуться с новыми правилами», — сказал Тур, отметив, что Белый дом опубликовал свою последнюю Национальную оценку климата в прошлом месяце и на этой неделе установил новые правила. сократить углеродное загрязнение от электростанций страны.
«Наша технология позволяет специально удалять углекислый газ в источнике. Его не нужно транспортировать на станцию сбора, чтобы провести разделение», — сказал он. «Это будет особенно эффективно в оффшорных зонах, где следы традиционных методов, включающих очистные башни или мембраны, слишком громоздки.«Это позволит компаниям закачивать углекислый газ прямо в скважину, где он находился миллионы лет, или использовать его для увеличения нефтеотдачи для дальнейшего выпуска нефти и природного газа.
Или они могут упаковать и продать его для других промышленных применений, " он сказал.По словам Тура, рисовый материал, нанопористое твердое вещество углерода с азотом или серой, недорого и прост в производстве по сравнению с используемыми сейчас скрубберами на основе жидких аминов. «Амины едкие и вредные для оборудования», — сказал он. «Они действительно улавливают углекислый газ, но их нужно нагреть примерно до 140 градусов по Цельсию, чтобы высвободить его для постоянного хранения. Это ужасная трата энергии».Аспирант Райс Чих-Чау Хван, ведущий автор статьи, впервые попытался объединить амины с пористым углеродом. «Но мне все равно нужно было нагреть его, чтобы разорвать ковалентные связи между молекулами амина и углекислого газа», — сказал он.
Хван также рассматривал каркасы из оксидов металлов, которые улавливают молекулы углекислого газа, но у них есть нежелательный побочный эффект, заключающийся в улавливании желаемого метана, и их изготовление слишком дорого для этого применения.Пористый углеродный порошок, на котором он остановился, имеет огромную площадь поверхности и превращает изящный трюк по превращению газообразного диоксида углерода в твердые полимерные цепи, которые гнездятся в порах.«Никто никогда не видел такого механизма», — сказал Тур. «У вас должен быть этот нуклеофил (атомы серы или азота), чтобы начать реакцию полимеризации.
Это никогда не сработает с простым активированным углем; главное, что полимер образует и обеспечивает непрерывную селективность по диоксиду углерода».По его словам, молекулы метана, этана и пропана, из которых состоит природный газ, могут пытаться прилипнуть к углероду, но растущие полимерные цепи просто отталкивают их.
Исследователи обработали свой источник углерода гидроксидом калия при температуре 600 градусов Цельсия, чтобы получить порошки с атомами серы или азота, равномерно распределенными в полученном пористом материале. Порошок, наполненный серой, показал себя лучше всего, поглотив 82 процента своего веса в двуокиси углерода.
Порошок, наполненный азотом, был почти таким же хорошим и улучшился при дальнейшей обработке.Тур сказал, что материал не разлагался в течение многих циклов, «и я предполагаю, что мы ничего не увидим.
После нагревания его до 600 градусов C для одностадийного синтеза из недорогих промышленных полимеров конечный углеродный материал имеет площадь поверхности 2500 квадратных метров на грамм, он чрезвычайно прочен и чрезвычайно стабилен ».Apache Corp., компания, занимающаяся разведкой и добычей нефти и газа из Хьюстона, профинансировала исследования в Rice и предоставила лицензию на технологию.
Ожидается, что турне потребует времени и дополнительных работ по производственным и инженерным аспектам для коммерциализации.Соавторами статьи являются студентка Джозия Тур, научный сотрудник Картер Киттрелл и старший научный сотрудник Лоуренс Алемани, все Райс, и Лаура Эспиналь, научный сотрудник NIST.
Тур — это T.T. и W.F. Кафедра химии Чао, а также профессор машиностроения, наноинженерии и информатики.