Połączenie wychwytywania CO2 z technologią metanizacji pozwala uzyskać biogaz najwyższej jakości
W wyniku rozkładu odpadów organicznych, takich jak ścieki i odpady stałe, składających się na biomasę, powstaje biogaz. W ramach tego procesu – fermentacji beztlenowej, przeprowadzanej w środowisku pozbawionym tlenu – wytwarzany jest biogaz, czyli mieszanina dwutlenku węgla (CO2) i metanu. Możliwość spalenia lub dalszego przetworzenia sprawia, że biogaz jest bardziej zrównoważonym i ekologicznym źródłem energii i surowcem do produkcji substancji chemicznych niż paliwa kopalne. Dotychczas wiele uwagi poświęcono procesowi oddzielania dwutlenku węgla od biogazu w celu uzyskania wzbogaconego biometanu, który może znaleźć zastosowanie w roli paliwa transportowego oraz jako składnik innych środków chemicznych. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu NTPleasure, realizowanego dzięki wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, naukowcy opracowali ultracienką membranę zeolitową, która umożliwia skuteczne rozdzielanie obu gazów oraz wychwytywanie CO2. Badacze biorący udział w projekcie opracowali także szereg wysoce aktywnych i selektywnych katalizatorów, które pozwalają na przekształcanie CO2 w metan w warunkach plazmy niskotemperaturowej. Oba te wynalazki doprowadziły do opracowania zintegrowanego separatora membranowego i systemu reaktora plazmowego – dwóch rozwiązań, dzięki którym możliwe jest ulepszenie wychwytywania i wykorzystania dwutlenku węgla. „Nasz system charakteryzuje się wysokim potencjałem w zakresie uzdatniania biogazu w celu otrzymywania produktów o wartości dodanej, takich jak metan czy metanol, a także wychwytywania oraz uzdatniania dwutlenku węgla pochodzącego ze spalin, by wykorzystać go w innych zastosowaniach”, twierdzi Xiaolei Fan, jeden z głównych badaczy projektu, pracownik Uniwersytetu w Manchesterze w Zjednoczonym Królestwie.
Połączone rozwiązanie do przetwarzania CO2
Struktury metaloorganiczne stanowią klasę hybrydowych (organiczno-metalowych) porowatych materiałów, charakteryzujących się doskonałymi właściwościami w zakresie adsorpcji, separacji oraz katalizy gazów. Obecnie wiadomo, że tego rodzaju materiały mogą być doskonałymi katalizatorami w procesach przetwarzania CO2, natomiast trudne warunki panujące w konwencjonalnych systemach termicznych mogą doprowadzić do ich zniszczenia. Naukowcy skupieni wokół projektu NTPleasure opracowali zintegrowane rozwiązanie, które pozwoliło na podtrzymanie reakcji katalizy na potrzeby metanizacji CO2 przy pomocy struktur metaloorganicznych przez niemal 70 godzin w warunkach normalnej temperatury i standardowego ciśnienia (NTP). Rozwiązanie to stanowiło połączenie dwóch technologii – rozdzielania przy pomocy membran oraz aktywowanej plazmą konwersji katalitycznej dwutlenku węgla. Ultracienkie membrany zeolitowe wykorzystane przez naukowców pozwoliły na selektywne rozdzielanie cząsteczek gazów powstających w wyniku rozkładu w celu skutecznego wychwytywania dwutlenku węgla. W następnym etapie oddzielony CO2 trafiał do reaktora katalitycznego NTP, gdzie był poddawany reakcji metanizacji katalitycznej z wykorzystaniem różnych katalizatorów, takich jak nikiel połączony z zeolitami oraz struktury metaloorganiczne. W ramach rozwiązania przy pomocy wyładowania wysokonapięciowego wytwarzana jest tak zwana plazma nietermiczna, która stanowi substancję gazową, charakteryzującą się doskonałym przewodnictwem. Wyładowanie powoduje wzbudzenie cząsteczek CO2 oraz wodoru w stanie gazowym, co prowadzi do zerwania wiązań, dzięki czemu cząsteczki mogą łatwo wchodzić w reakcje z powierzchnią katalizatora. W wyniku przeprowadzonych badań naukowcy odkryli, że zoptymalizowany przez nich system hybrydowy pozwolił na uzyskanie skuteczności wychwytywania dwutlenku węgla na poziomie około 91,8 %, przy wykorzystaniu wynoszącym 71,7 %. Dodatkowo zintegrowany proces pozwolił również na wykorzystanie wychwytywania dwutlenku węgla – w tym wypadku naukowcom udało się wykazać stabilne działanie systemu przez całą długość trwania 40-godzinnego badania. „Nasze zintegrowane rozwiązanie, które łączy w sobie technologię wychwytywania dwutlenku węgla oraz jego metanizacji w temperaturze otoczenia, może usprawnić proces wykorzystywania wysokowartościowego biogazu na skalę przemysłową”, twierdzi Chris Hardacre, jeden z głównych badaczy projektu.
Korzyści dla gospodarki i środowiska
Technologia opracowana w ramach projektu NTPleasure stanowi interesujące rozwiązanie dla przeszło 17 000 biogazowni na terenie Europy, gdyż dzięki niej mogą zwiększyć jakość wytwarzanego biogazu oraz rozszerzyć możliwości w zakresie wykorzystania go jako surowca, jednocześnie zmniejszając zależność gospodarki od paliw kopalnych. Dzięki wykazaniu słuszności zastosowanej koncepcji, zespół może skupić się obecnie na pozyskiwaniu nowych funduszy na dalszy rozwój potencjału nowej technologii. „Realizacja projektu NTPleasure pozwoliła nam na poszerzenie wiedzy na temat struktur metaloorganicznych oraz ich interakcji z plazmami. Nasze odkrycia prowadzą do powstania całkowicie nowego obszaru badań, które mogą umożliwić wykorzystanie tych materiałów w szerokim zakresie rozwiązań, takich jak reakcja konwersji tlenku węgla z parą wodną czy suchego reformingu metanu z CO2 w celu uzyskania gazu syntezowego, a także katalitycznych reakcji redukcji tlenków azotu”, wyjaśnia Fan.
Słowa kluczowe
NTPleasure, biogaz, biometan, dwutlenek węgla, paliwo, zeolit, metanizacja, katalizator, plazma, nikiel, struktury metaloorganiczne
