Цементные заводы, подобные показанному здесь, являются основным источником углекислого газа, вызывающего изменение климата. Но некоторые из этих загрязняющих веществ можно преобразовать в новый вид топлива. Эту соль можно безопасно хранить десятилетиями и даже дольше.
Это еще одна статья из серии, посвященной новым технологиям и мерам, которые могут замедлить изменение климата, уменьшить его последствия или помочь сообществам справиться с быстро меняющимся миром.
Деятельность, приводящая к выбросам углекислого газа (CO2), распространенного парникового газа, способствует потеплению атмосферы Земли. Идея извлечения CO2 из воздуха и его хранения не нова. Но реализовать это сложно, особенно если люди могут себе это позволить. Новая система решает проблему загрязнения CO2 несколько иным способом. Она химически преобразует этот парниковый газ в топливо.
15 ноября исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже опубликовали свои новаторские результаты в журнале Cell Reports Physical Science.
Их новая система разделена на две части. Первая часть включает преобразование углекислого газа из воздуха в молекулу, называемую формиатом, для производства топлива. Как и углекислый газ, формиат содержит один атом углерода и два атома кислорода, а также один атом водорода. Формат также содержит несколько других элементов. В новом исследовании использовалась соль формиата, которая образуется из натрия или калия.
Большинство топливных элементов работают на водороде — легковоспламеняющемся газе, для транспортировки которого требуются трубопроводы и резервуары под давлением. Однако топливные элементы также могут работать на формиате. По словам Ли Цзю, специалиста по материалам, возглавлявшего разработку новой системы, формиат обладает энергетической ценностью, сопоставимой с водородом. Ли Цзю отметил, что формиат имеет некоторые преимущества перед водородом. Он безопаснее и не требует хранения под высоким давлением.
Исследователи из Массачусетского технологического института создали топливный элемент для тестирования формиата, который они получают из углекислого газа. Сначала они смешали соль с водой. Затем смесь подали в топливный элемент. Внутри топливного элемента формиат высвобождал электроны в химической реакции. Эти электроны текли от отрицательного электрода топливного элемента к положительному электроду, замыкая электрическую цепь. Этот поток электронов — электрический ток — присутствовал в течение 200 часов во время эксперимента.
Чжэнь Чжан, специалист по материаловедению, работающий с Ли в Массачусетском технологическом институте, оптимистично настроен и считает, что его команда сможет масштабировать новую технологию в течение десяти лет.
Исследовательская группа Массачусетского технологического института использовала химический метод для преобразования углекислого газа в ключевой компонент для производства топлива. Сначала они подвергли его воздействию сильнощелочного раствора. В качестве раствора они выбрали гидроксид натрия (NaOH), широко известный как щелочь. Это запускает химическую реакцию, в результате которой образуется бикарбонат натрия (NaHCO3), более известный как пищевая сода.
Затем они включили питание. Электрический ток запустил новую химическую реакцию, которая расщепила все атомы кислорода в молекуле пищевой соды, оставив после себя формиат натрия (NaCHO2). Их система преобразовала почти весь углерод в CO2 — более 96 процентов — в эту соль.
Энергия, необходимая для удаления кислорода, запасается в химических связях формиата. Профессор Ли отметил, что формиат может хранить эту энергию десятилетиями, не теряя потенциальной энергии. Затем он генерирует электричество, проходя через топливный элемент. Если электричество, используемое для производства формиата, поступает от солнечной, ветровой или гидроэнергетики, то электроэнергия, вырабатываемая топливным элементом, будет чистым источником энергии.
Чтобы масштабировать новую технологию, Ли сказал: «Нам нужно найти богатые геологические запасы щелочи». Он изучал тип породы, называемый щелочным базальтом (AL-kuh-lye buh-SALT). При смешивании с водой эти породы превращаются в щелочь.
Фарзан Каземифар — инженер из Университета штата Сан-Хосе в Калифорнии. Его исследования сосредоточены на хранении углекислого газа в подземных соляных пластах. По его словам, удаление углекислого газа из воздуха всегда было сложной и, следовательно, дорогостоящей задачей. Поэтому выгодно преобразовывать CO2 в полезные продукты, такие как формиат. Стоимость продукта может компенсировать затраты на его производство.
Проведено множество исследований по улавливанию углекислого газа из воздуха. Например, группа ученых из Университета Лихай недавно описала еще один метод фильтрации углекислого газа из воздуха и преобразования его в пищевую соду. Другие исследовательские группы хранят CO2 в специальных горных породах, преобразуя его в твердый углерод, который затем можно перерабатывать в этанол, спиртовое топливо. Большинство этих проектов носят мелкомасштабный характер и пока не оказали существенного влияния на снижение высокого уровня углекислого газа в воздухе.
На этом изображении показан дом, работающий на углекислом газе. Показанное здесь устройство преобразует углекислый газ (молекулы в красных и белых пузырьках) в соль, называемую формиатом (синие, красные, белые и черные пузырьки). Затем эту соль можно использовать в топливном элементе для выработки электроэнергии.
Каземифар заявил, что лучший вариант — это «в первую очередь сократить выбросы парниковых газов». Один из способов сделать это — заменить ископаемое топливо возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер или солнце. Это часть перехода, который ученые называют «декарбонизацией». Но он добавил, что для остановки изменения климата потребуется многогранный подход. По его словам, эта новая технология необходима для улавливания углерода в тех областях, которые трудно декарбонизировать. В качестве двух примеров можно привести сталелитейные и цементные заводы.
Команда из Массачусетского технологического института также видит преимущества в сочетании своей новой технологии с солнечной и ветровой энергией. Традиционные батареи предназначены для хранения энергии в течение нескольких недель. Хранение летнего солнечного света зимой или дольше требует иного подхода. «С формиатным топливом, — сказал Ли, — вы больше не ограничены даже сезонным хранением. — Это может быть хранение на протяжении нескольких поколений».
Возможно, оно и не сверкает золотом, но, как сказал Ли, «я могу оставить своим сыновьям и дочерям в наследство 200 тонн формиата».
Щелочной: Прилагательное, описывающее химическое вещество, которое образует гидроксид-ионы (OH-) в растворе. Такие растворы также называются щелочными (в отличие от кислых) и имеют pH больше 7.
Водоносный горизонт: Горная порода, способная удерживать подземные запасы воды. Этот термин также применяется к подземным бассейнам.
Базальт: Черная вулканическая порода, обычно очень плотная (если только в результате вулканического извержения в ней не образовались большие газовые залежи).
Связь: (в химии) полупостоянная связь между атомами (или группами атомов) в молекуле. Она образуется за счет сил притяжения между участвующими атомами. После образования связей атомы функционируют как единое целое. Для разделения составляющих атомов необходимо подвести к молекулам энергию в виде тепла или другого излучения.
Углерод: химический элемент, являющийся физической основой всей жизни на Земле. Углерод существует в свободном виде в форме графита и алмаза. Он является важным компонентом угля, известняка и нефти и способен к химической самоассоциации с образованием широкого спектра молекул, имеющих химическую, биологическую и коммерческую ценность. (В климатических исследованиях) Термин «углерод» иногда используется почти взаимозаменяемо с термином «углекислый газ» для обозначения потенциального воздействия, которое действие, продукт, политика или процесс могут оказать на долгосрочное потепление атмосферы.
Углекислый газ (или CO2) — это бесцветный газ без запаха, образующийся у всех животных при реакции кислорода, которым они дышат, с богатой углеродом пищей, которую они едят. Углекислый газ также выделяется при сжигании органических веществ, включая ископаемое топливо, такое как нефть или природный газ. Углекислый газ является парниковым газом, который удерживает тепло в атмосфере Земли. Растения преобразуют углекислый газ в кислород посредством фотосинтеза и используют этот процесс для производства собственной пищи.
Цемент: связующее вещество, используемое для скрепления двух материалов и их затвердевания, или густой клей, используемый для скрепления двух материалов. (Строительство) Мелкоизмельченный материал, используемый для связывания песка или щебня для образования бетона. Цемент обычно изготавливается в виде порошка. Но как только он намокает, он превращается в мутную суспензию, которая затвердевает при высыхании.
Химическое вещество: вещество, состоящее из двух или более атомов, соединенных (связанных) в определенной пропорции и структуре. Например, вода — это химическое вещество, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Ее химическая формула — H₂O. Слово «химическое» также может использоваться как прилагательное для описания свойств вещества, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.
Химическая связь: сила притяжения между атомами, достаточно сильная, чтобы заставить связанные элементы функционировать как единое целое. Некоторые силы притяжения слабые, другие — сильные. Все связи, по-видимому, соединяют атомы путем совместного использования (или попытки совместного использования) электронов.
Химическая реакция: процесс, включающий перегруппировку молекул или структур вещества, а не изменение его физической формы (например, из твердого состояния в газообразное).
Химия: раздел науки, изучающий состав, структуру, свойства и взаимодействия веществ. Ученые используют эти знания для изучения незнакомых веществ, для воспроизведения полезных веществ в больших количествах или для разработки и создания новых полезных веществ. (О химических соединениях) Химия также относится к формуле соединения, методу его получения или некоторым его свойствам. Люди, работающие в этой области, называются химиками. (В социальных науках) способность людей сотрудничать, ладить друг с другом и получать удовольствие от общения друг с другом.
Изменение климата: значительное, долгосрочное изменение климата Земли. Оно может происходить естественным путем или в результате деятельности человека, включая сжигание ископаемого топлива и вырубку лесов.
Декарбонизация: это целенаправленный переход от загрязняющих технологий, видов деятельности и источников энергии, которые выбрасывают в атмосферу парниковые газы на основе углерода, такие как углекислый газ и метан. Цель состоит в том, чтобы сократить количество углекислых газов, которые способствуют изменению климата.
Электричество: Поток электрического заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.
Электрон: отрицательно заряженная частица, которая обычно вращается вокруг внешней области атома; он также является переносчиком электричества в твердых телах.
Инженер: Человек, использующий науку и математику для решения проблем. В качестве глагола слово «инженер» означает проектирование устройства, материала или процесса для решения проблемы или удовлетворения неудовлетворенной потребности.
Этанол: спирт, также называемый этиловым спиртом, который является основой для алкогольных напитков, таких как пиво, вино и крепкие спиртные напитки. Он также используется в качестве растворителя и топлива (например, часто смешивается с бензином).
Фильтр: (сущ.) То, что пропускает одни материалы и другие в зависимости от их размера или других характеристик. (гл.) Процесс отбора определенных веществ на основе таких свойств, как размер, плотность, заряд и т. д. (в физике) Экран, пластина или слой вещества, который поглощает свет или другое излучение или избирательно препятствует прохождению некоторых его компонентов.
Формат: общий термин для солей или сложных эфиров муравьиной кислоты, окисленной формы жирной кислоты. (Сложный эфир — это соединение на основе углерода, образованное заменой атомов водорода в определенных кислотах на определенные типы органических групп. Многие жиры и эфирные масла являются природными сложными эфирами жирных кислот.)
Ископаемое топливо: любое топливо, такое как уголь, нефть (сырая нефть) или природный газ, образовавшееся за миллионы лет внутри Земли из разлагающихся остатков бактерий, растений или животных.
Топливо: любое вещество, выделяющее энергию в результате контролируемой химической или ядерной реакции. Ископаемое топливо (уголь, природный газ и нефть) — это распространенные виды топлива, выделяющие энергию в результате химических реакций при нагревании (обычно до точки сгорания).
Топливный элемент: устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую. Наиболее распространенным топливом является водород, единственным побочным продуктом которого является водяной пар.
Геология: прилагательное, описывающее всё, что связано с физической структурой Земли, её составом, историей и происходящими на ней процессами. Специалистов в этой области называют геологами.
Глобальное потепление: постепенное повышение общей температуры атмосферы Земли вследствие парникового эффекта. Этот эффект вызван увеличением концентрации углекислого газа, хлорфторуглеродов и других газов в воздухе, многие из которых выбрасываются в результате деятельности человека.
Водород: самый лёгкий элемент во Вселенной. В газообразном состоянии он бесцветен, не имеет запаха и чрезвычайно легковоспламеняем. Он входит в состав многих видов топлива, жиров и химических веществ, составляющих живые ткани. Он состоит из протона (ядра) и электрона, вращающегося вокруг него.
Инновация: (гл. внедрять инновации; прил. внедрять инновации) Корректировка или усовершенствование существующей идеи, процесса или продукта с целью сделать его более новым, интеллектуальным, эффективным или полезным.
Щелочь: общее название раствора гидроксида натрия (NaOH). Щелочь часто смешивают с растительными маслами или животными жирами и другими ингредиентами для изготовления твердого мыла.
Материаловед: исследователь, изучающий взаимосвязь между атомной и молекулярной структурой материала и его общими свойствами. Материаловеды могут разрабатывать новые материалы или анализировать существующие. Анализ общих свойств материала, таких как плотность, прочность и температура плавления, может помочь инженерам и другим исследователям выбрать лучшие материалы для новых применений.
Молекула: группа электрически нейтральных атомов, представляющая собой наименьшее возможное количество химического соединения. Молекулы могут состоять из одного типа атомов или из разных типов атомов. Например, кислород в воздухе состоит из двух атомов кислорода (O2), а вода — из двух атомов водорода и одного атома кислорода (H2O).
Загрязняющее вещество: вещество, загрязняющее что-либо, например, воздух, воду, людей или пищу. Некоторые загрязняющие вещества являются химическими веществами, например, пестициды. Другие загрязняющие вещества могут быть вызваны радиацией, включая чрезмерное тепло или свет. Даже сорняки и другие инвазивные виды могут рассматриваться как форма биологического обрастания.
Сильный: Прилагательное, обозначающее что-либо очень сильное или мощное (например, микроб, яд, лекарство или кислота).
Возобновляемый: прилагательное, обозначающее ресурс, который может быть восполнен бесконечно (например, вода, растения, солнечный свет и ветер). Это в отличие от невозобновляемых ресурсов, которые имеют ограниченные запасы и могут быть фактически исчерпаны. К невозобновляемым ресурсам относятся нефть (и другие ископаемые виды топлива) или относительно редкие элементы и минералы.