Công nghệ đang chờ cấp bằng sáng chế chuyển đổi "chất thải" carbon thành các hóa chất có giá trị và các nguyên tố hữu ích

Cácbon thải từ các trang trại, nước thải và các nguồn khác có thể được xử lý thành nhiên liệu sinh học cao cấp dễ dàng hơn với một tế bào dòng chảy mới do PNNL phát triển. Trong hình ảnh động này, tế bào dòng chảy nhận biocrude và nước thải từ quá trình hóa lỏng thủy nhiệt. Sau đó, nó loại bỏ carbon khỏi nước thải, cho phép nước sạch được tái sử dụng. Hệ thống thậm chí còn tạo ra hydro, một loại nhiên liệu có giá trị có thể được thu giữ, giúp giảm chi phí của toàn bộ hoạt động. Tín dụng: Sara Levine | Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương

Quy trình đang chờ cấp bằng sáng chế loại bỏ các chất gây ô nhiễm nhiên liệu sinh học khỏi nước thải bằng quy trình không có phụ gia tạo ra hydro để cung cấp nhiên liệu cho hoạt động của chính nó

Chén thánh của các nhà nghiên cứu nhiên liệu sinh học là tạo ra một quá trình tự duy trì để chuyển đổi chất thải từ nước thải, cây lương thực, tảo và các nguồn carbon tái tạo khác thành nhiên liệu trong khi vẫn giữ carbon thải ra khỏi môi trường và nước của chúng ta. Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong việc biến những loại rác như vậy thành nhiên liệu có thể sử dụng được, nhưng việc hoàn thành chu trình bằng năng lượng sạch đã được chứng minh là một điều khó bị bẻ gãy.

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) của Bộ Năng lượng hiện đã phát minh ra một hệ thống thực hiện được điều đó. Hệ thống thu hồi nhiên liệu oxy hóa điện xúc tác PNNL chuyển đổi những gì trước đây được cho là không thể phục hồi, carbon “thải” đã được pha loãng thành các hóa chất có giá trị đồng thời tạo ra hydro hữu ích. Bởi vì năng lượng tái tạo được sử dụng, quá trình này là trung tính carbon hoặc thậm chí có thể âm tính carbon.

Chìa khóa để làm cho tất cả hoạt động là một chất xúc tác được thiết kế trang nhã kết hợp hàng tỷ hạt kim loại cực nhỏ và dòng điện để tăng tốc độ chuyển đổi năng lượng ở nhiệt độ và áp suất phòng.

Juan A. Lopez-Ruiz, một kỹ sư hóa học của PNNL, đã dẫn đầu một nhóm nghiên cứu gần đây đã phát triển một lò phản ứng tế bào dòng chảy mới giúp con đường dẫn đến nhiên liệu tái tạo dễ dàng hơn. Tín dụng: Andrea Starr | Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương

Juan A. Lopez-Ruiz, kỹ sư hóa PNNL và trưởng dự án cho biết: “Các phương pháp xử lý biocrude hiện đang được sử dụng đòi hỏi phải có hydro áp suất cao, thường được tạo ra từ khí tự nhiên. “Hệ thống của chúng tôi có thể tự tạo ra hydro đó đồng thời xử lý nước thải ở điều kiện gần khí quyển bằng cách sử dụng lượng điện tái tạo dư thừa, giúp vận hành không tốn kém và có khả năng trung hòa carbon”.

Một hệ thống đói

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng một mẫu nước thải từ quá trình chuyển đổi sinh khối quy mô công nghiệp trong hơn 200 giờ hoạt động liên tục mà không làm giảm bất kỳ hiệu quả nào trong quá trình này. Hạn chế duy nhất là mẫu nước thải của nhóm nghiên cứu đã hết.

“Đó là một hệ thống đói,” Lopez-Ruiz nói. “Tốc độ phản ứng của quá trình tỷ lệ với lượng carbon thải mà bạn đang cố gắng chuyển đổi. Nó có thể chạy vô thời hạn nếu bạn có nước thải để tiếp tục chạy qua nó. “

Theo Lopez-Ruiz, hệ thống đang chờ cấp bằng sáng chế giải quyết một số vấn đề đang cản trở nỗ lực biến sinh khối thành nguồn năng lượng tái tạo hiệu quả về mặt kinh tế.

“Chúng tôi biết cách biến sinh khối thành nhiên liệu,” Lopez-Ruiz nói. “Nhưng chúng tôi vẫn đang đấu tranh để làm cho quá trình này tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm và bền vững với môi trường – đặc biệt là đối với các quy mô nhỏ, phân tán. Hệ thống này chạy bằng điện, có thể đến từ các nguồn tái tạo. Và nó tự tạo ra nhiệt và nhiên liệu để duy trì hoạt động. Nó có tiềm năng hoàn thành chu trình phục hồi năng lượng ”.

Ông nói thêm: “Khi lưới điện bắt đầu chuyển các nguồn năng lượng sang tích hợp nhiều năng lượng tái tạo hơn, thì việc dựa vào điện ngày càng có ý nghĩa hơn đối với nhu cầu năng lượng của chúng ta. Chúng tôi đã phát triển một quy trình sử dụng điện năng để chuyển hóa các hợp chất cacbon trong nước thải thành các sản phẩm hữu ích đồng thời loại bỏ các tạp chất như nitơ và các hợp chất lưu huỳnh ”.

Thu hẹp khoảng cách năng lượng

Hóa lỏng thủy nhiệt (HTL) là một phương pháp rất hiệu quả để chuyển carbon thải ướt thành nhiên liệu. Về bản chất, quá trình này rút ngắn thời gian cần thiết để sản xuất nhiên liệu hóa thạch tự nhiên bằng cách biến sinh khối ướt thành dầu biocrude năng lượng chỉ trong vài giờ chứ không phải hàng thiên niên kỷ. Tuy nhiên, quy trình này chưa hoàn thiện theo nghĩa là nước thải được tạo ra như một phần của quy trình đòi hỏi phải được xử lý thêm để có được giá trị gia tăng từ những gì nếu không sẽ là một khoản nợ phải trả.

Lopez-Ruiz cho biết: “Chúng tôi nhận ra rằng phản ứng hóa học (điện) tương tự loại bỏ các phân tử hữu cơ khỏi nước thải cũng có thể được sử dụng để nâng cấp trực tiếp biocrude ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển.

Đây là lúc quy trình PNNL mới bắt đầu hoạt động. Chất thải sinh học và nước thải chưa qua tinh chế có thể được đưa vào hệ thống trực tiếp từ dòng đầu ra HTL hoặc chất thải ướt khác. Quá trình PNNL bao gồm cái được gọi là tế bào dòng chảy trong đó nước thải và biocrude chảy qua tế bào và gặp môi trường tích điện do dòng điện tạo ra. Bản thân tế bào được chia đôi bởi một lớp màng.

Một lò phản ứng sinh học tế bào dòng chảy đang chờ cấp bằng sáng chế mới được phát triển tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương có thể làm sạch nước thải (xem tại đây) và tạo ra hydro để giúp cung cấp nhiên liệu cho quá trình. Tín dụng: Andrea Starr | Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương

Một nửa tích điện dương, được gọi là cực dương, chứa một lá titan mỏng được phủ các hạt nano ôxít ruthenium. Tại đây, dòng chất thải trải qua quá trình chuyển đổi xúc tác, với biocrude được chuyển đổi thành dầu hữu ích và parafin. Đồng thời, các chất gây ô nhiễm hòa tan trong nước, chẳng hạn như oxy và các hợp chất chứa nitơ, trải qua quá trình chuyển đổi hóa học biến chúng thành khí nitơ và oxy – các thành phần bình thường của khí quyển. Nước thải ra khỏi hệ thống, với các chất gây ô nhiễm được loại bỏ, sau đó có thể được đưa trở lại quá trình HTL.

Trên một nửa tích điện âm của tế bào dòng, được gọi là cực âm, một phản ứng khác xảy ra có thể hydro hóa các phân tử hữu cơ (chẳng hạn như các phân tử trong môi trường được xử lý) hoặc tạo ra khí hydro – một nguồn năng lượng mới nổi mà các nhà phát triển tế bào dòng nhận thấy là một nguồn nhiên liệu tiềm năng.

“Chúng tôi coi sản phẩm phụ hydro được tạo ra bởi quá trình này như một điểm cộng ròng. Khi được thu thập và đưa vào hệ thống dưới dạng nhiên liệu, nó có thể giữ cho hệ thống hoạt động với ít năng lượng đầu vào hơn, có khả năng làm cho nó tiết kiệm và trung hòa hơn so với các hoạt động chuyển đổi sinh khối hiện tại, ”Lopez-Ruiz cho biết.

Tốc độ chuyển đổi hóa học mang lại một lợi ích bổ sung cho hệ thống.

Lopez-Ruiz cho biết: “Chúng tôi đã so sánh tốc độ – đó là tốc độ mà chúng tôi có thể loại bỏ oxy khỏi các phân tử hữu cơ bằng hệ thống của mình thay vì loại bỏ nhiệt năng tiêu tốn nhiều năng lượng,” Lopez-Ruiz nói. “Chúng tôi thu được tỷ lệ chuyển đổi cao hơn 100 lần với hệ thống điện hóa ở điều kiện khí quyển so với hệ thống nhiệt ở áp suất và nhiệt độ hydro trung gian”. Những phát hiện này đã được công bố trên Tạp chí Xúc tác Ứng dụng B: Môi trường vào tháng 11 năm 2020.

Giảm sử dụng kim loại đất hiếm

Một nhược điểm đáng kể của nhiều công nghệ thương mại là sự phụ thuộc của chúng vào các kim loại đất hiếm, đôi khi được gọi là kim loại nhóm bạch kim. Chuỗi cung ứng trên toàn thế giới cho các yếu tố này chủ yếu dựa vào các công nghệ khai thác lạc hậu, tiêu tốn nhiều năng lượng, sử dụng một lượng lớn nước và tạo ra chất thải nguy hại. Theo Bộ Năng lượng, nơi ưu tiên cung cấp nội địa hàng đầu, nhập khẩu chiếm 100% nguồn cung của Hoa Kỳ đối với 14 trong số 35 nguyên liệu quan trọng và hơn một nửa trong số 17 nguyên liệu khác.

Hệ thống giải quyết vấn đề này bằng cách kết hợp một phương pháp duy nhất để lắng đọng các hạt nano của các kim loại chịu trách nhiệm chuyển đổi hóa học. Các hạt này có diện tích bề mặt lớn, cần ít kim loại hơn để thực hiện công việc của nó. Lopez-Ruiz cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng việc sử dụng các hạt nano kim loại thay vì màng mỏng và lá kim loại làm giảm hàm lượng kim loại và cải thiện hiệu suất điện hóa. Những phát hiện này gần đây đã được công bố trên Tạp chí Xúc tác Ứng dụng B: Môi trường. Chất xúc tác mới cần ít kim loại quý hơn 1.000 lần, trong trường hợp này là ruthenium, so với mức cần thiết cho các quá trình tương tự. Cụ thể, lò phản ứng dòng quy mô phòng thí nghiệm sử dụng một điện cực có khoảng 5 đến 15 miligam ruthenium, so với khoảng 10 gam bạch kim đối với một lò phản ứng tương đương.

Về những hợp chất cacbon vô dụng đó

Nhóm nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng quy trình PNNL có thể xử lý quá trình xử lý các hợp chất cacbon nhỏ hòa tan trong nước — các sản phẩm phụ được tìm thấy trong dòng nước thải của các quy trình HTL hiện tại — cũng như nhiều quy trình công nghiệp khác. Có khoảng một tá hợp chất carbon nhỏ khó xử lý một cách kinh khủng này trong các dòng nước thải ở nồng độ thấp. Cho đến nay, vẫn chưa có công nghệ tiết kiệm chi phí nào để xử lý chúng. Các hợp chất cacbon mạch ngắn này, như axit propanoic và axit butanoic, trải qua quá trình chuyển hóa thành nhiên liệu, chẳng hạn như etan, propan, hexan và hydro trong quá trình mới được phát triển.

Một phân tích chi phí sơ bộ cho thấy chi phí điện cần thiết để vận hành hệ thống có thể được bù đắp hoàn toàn bằng cách vận hành hoạt động ở điện áp thấp, sử dụng propan hoặc butan để tạo ra nhiệt và bán lượng hydro dư thừa được tạo ra. Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Journal of Applied Electrochemistry.

Battelle, công ty quản lý và vận hành PNNL cho chính phủ liên bang, đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho quy trình điện hóa. CogniTek Management Systems (CogniTek), một công ty toàn cầu cung cấp các sản phẩm năng lượng và giải pháp công nghệ ra thị trường, đã cấp phép công nghệ từ PNNL. CogniTek sẽ tích hợp công nghệ xử lý nước thải PNNL vào các hệ thống xử lý sinh khối đã được cấp bằng sáng chế mà CogniTek và các đối tác chiến lược đang phát triển và thương mại hóa. Mục tiêu của họ là sản xuất nhiên liệu sinh học, chẳng hạn như diesel sinh học và nhiên liệu phản lực sinh học. Ngoài thỏa thuận thương mại hóa, PNNL và CogniTek sẽ hợp tác để mở rộng quy mô lò phản ứng xử lý nước thải từ quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô trình diễn.

“Chúng tôi tại CogniTek rất vui mừng trước cơ hội mở rộng công nghệ PNNL, kết hợp với các bằng sáng chế cốt lõi của chúng tôi và công nghệ khử cacbon đang chờ cấp bằng sáng chế,” Giám đốc điều hành của CogniTek, Michael Gurin cho biết.

Công nghệ, được gọi là Xử lý điện hóa bền vững sạch — hoặc CleanSET, có sẵn để được cấp phép bởi các công ty hoặc thành phố trực thuộc trung ương khác quan tâm đến việc phát triển nó cho các mục đích sử dụng cụ thể trong ngành trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị, trang trại bò sữa, nhà máy bia, nhà sản xuất hóa chất và nhà sản xuất thực phẩm và đồ uống. Để tìm hiểu thêm về cách hoạt động của công nghệ này hoặc để lên lịch cuộc họp với người quản lý thương mại hóa công nghệ, hãy truy cập trang web Công nghệ sẵn có của PNNL.

Ngoài Lopez-Ruiz, nhóm nghiên cứu PNNL bao gồm Yang Qiu, Evan Andrews, Oliver Gutiérrez và Jamie Holladay. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Văn phòng Sản xuất Tiên tiến của Bộ Năng lượng và Sáng kiến Chuyển đổi Hóa học, một Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Chỉ đạo Phòng thí nghiệm tại PNNL. Các phần của nghiên cứu được thực hiện như một phần của Thỏa thuận Hợp tác Nghiên cứu và Phát triển với Công ty Khí đốt Nam California.

Tài liệu tham khảo: “Sự chuyển đổi điện cực anot của axit cacboxylic trên màng mỏng RuO ₂ , IrO ₂ và Pt” của Yang Qiu, Juan A. Lopez-Ruiz, Udishnu Sanyal, Evan Andrews, Oliver Y. Gutiérrez và Jamie D. Holladay, 25 Tháng 6 năm 2020, Xúc tác ứng dụng B: Môi trường .
DOI: 10.1016 / j.apcatb.2020.119277

“Hóa trị xúc tác điện thành H2 và hydrocacbon của dòng nước có nguồn gốc từ quá trình hóa lỏng thủy nhiệt” của Juan A. Lopez-Ruiz, Yang Qiu, Evan Andrews, Oliver Y. Gutiérrez và Jamie D. Holladay, ngày 9 tháng 7 năm 2020, Tạp chí Điện hóa Ứng dụng .
DOI: 10.1007 / s10800-020-01452-x

“Quá trình khử cacbon bằng điện xúc tác của axit cacboxylic qua các hạt nano RuO ₂ và Pt” của Yang Qiu, Juan A. Lopez-Ruiza, Guomin Zhu, Mark H. Engelhard, Oliver Y. Gutiérrez và Jamie D. Holladay, ngày 1 tháng 1 năm 2022, Xúc tác ứng dụng B: Môi trường .
DOI: 10.1016 / j.apcatb.2021.121060

Theo Scitechdaily