Producția de energie durabilă prin reducerea electrochimică

Credit ilustrativ: Cortland Johnson | PNNL

Rezervele mici de biomasă, cum ar fi apele uzate, deșeurile alimentare și așchii de lemn, sunt adesea trecute cu vederea în viziunile viitoarei producții durabile de combustibili și produse chimice. Descărcarea apare deoarece transportul acestor materiale la o biorefinare centralizată la scară largă ar necesita mai multă energie decât produc. Cu toate acestea, există suficient carbon captat în aceste materiale pentru a furniza teoretic aproximativ 25% din cererea SUA de combustibil pentru transport.

O nouă revizuire, condusă de cercetătorii de la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), oferă o soluție pentru captarea acestor materiale neutilizate: mini-rafinării situate lângă surse de deșeuri care procesează biomasă utilizând reacții de reducere electrochimică alimentate cu energie regenerabilă.

În ziar, care a fost publicat recent în Revizuiri chimice, cercetătorii adună informații din peste 100 de ani de chimie cu privire la teoria, materialele și proiectarea reactorului necesare pentru ca mini-rafinăriile să fie o parte eficientă a procesării biomasei industriale.

„Această lucrare descrie un cadru conceptual necesar pentru a muta secole de cercetare în aplicații în lumea reală”, a spus omul de știință în calcul PNNL Roger Rousseau, care conduce inițiativa laboratorului de transformare chimică. În ultimii patru ani, inițiativa a studiat electrochimia de bază, modelul catalizatorului și modelul reactorului necesar mini-rafinăriilor funcționale.

Mina de rafinărie de biomasă

Credit ilustrativ: Nathan Johnson PNNL

Reducerea electrochimică produce produse mai curate din bio-brut

Provocarea cu transformarea apelor uzate, a deșeurilor alimentare și a deșeurilor vegetale în combustibil este transformările moleculare necesare. Primul pas în această conversie implică descompunerea biomasei la temperaturi ridicate pentru a produce un bio-petrol brut. Acest ulei conține molecule precum aldehide, cetone, esteri, acizi și fenoli care conțin mulți atomi de oxigen.

Cu toate acestea, combustibilul este alcătuit din diferite molecule de hidrocarburi, care conțin mai mult hidrogen decât oxigen.

Adăugarea hidrogenului la moleculele bogate în oxigen necesită transformări chimice numite reacții de reducere. Pentru a face aceste reacții în biodiesel, procesele industriale existente bombardează biocromul cu hidrogen gazos la temperatură și presiune ridicate.

În mare măsură, căldura produsă în timpul acestor reacții este captată și reutilizată în alte etape de rafinare. Acest lucru maximizează eficiența energetică generală a procesului. Cu toate acestea, la o scară mică, căldura se pierde și nu este folosită din nou. Aceasta înseamnă că sunt necesare alte abordări ale răspunsurilor de reducere pentru prelucrarea la scară locală a deșeurilor.

Reacțiile de reducere electrochimice cunoscute sunt o cale către condițiile mai moi necesare pentru mini-rafinăriile eficiente din punct de vedere energetic. În aceste reacții, electricitatea și un catalizator metalic, mai degrabă decât hidrogenul gazos și căldura, împing transformările moleculare. Alte molecule din amestec pot fi, de asemenea, purificate simultan pentru a furniza atomi de hidrogen în timpul reacției.

Comparativ cu reducerea termochimică cu hidrogen gazos, reducerile electrochimice ale moleculelor specifice din bio-ulei pot apărea mai repede fără a crește temperatura de reacție și produc mai puțini subproduse. Aceasta înseamnă că mai puțini pași de curățare sunt necesari mai târziu în producție, ceea ce îmbunătățește eficiența energetică a întregului proces.

Biocombustibili pentru transport

Credit ilustrativ: Nathan Johnson PNNL

Știință de bază multidisciplinară care informează aplicațiile industriale

Electrochimia de bază necesară transformărilor electrochimice este cunoscută de secole. Cu toate acestea, cea mai mare parte a acestei lucrări a implicat studii de laborator ale compușilor model care reprezintă molecule derivate din biomasă.

În această revizuire, cercetătorii descriu informațiile disponibile – și încă necesare – pentru a alunga aceste reacții din laborator. Aceste informații includ cercetări în dezvoltarea de noi catalizatori care pot gestiona amestecuri complexe de molecule găsite în bio-uleiuri, precum și analize electrochimice pentru a dezvolta procese eficiente din punct de vedere energetic.

„Această revizuire demonstrează capacitatea transformărilor electrochimice pentru prelucrarea bio-uleiului și arată cum să selectați reacțiile astfel încât să poată fi folosite dincolo de demonstrațiile de principiu”, a declarat omul de știință PNNL, Vanda Glezakou.

Inițiativa PNNL pentru transformarea chimică oferă o oportunitate unică de a avansa această lucrare, deoarece reunește cercetători cu experiență în cataliză cu cercetători specializați în electrochimie. Împreună, aceste perspective diverse aduc cunoștințe despre principiile de bază care ghidează fiecare etapă a unei reacții electrocatalitice. Cercetătorii se pot baza apoi pe această bază largă pentru a avansa știința existentă spre aplicații și pentru a potrivi feedback-ul specific cu etapele specifice de producție.

“Am învățat că prelucrarea biomasei la scară locală poate contribui la producția durabilă de combustibil și produse chimice”, a spus Glezakou. „Știința multidisciplinară pe care o urmărim la PNNL oferă o imagine de ansamblu holistică pentru a vă ajuta să înțelegeți ce transformări chimice sunt cele mai potrivite pentru etape specifice într-un proces la scară industrială.”

Referință: „Hidrogenarea electrocatalitică a substanțelor organice derivate din biomasă: o revizuire” de Sneha A. Akhade, Nirala Singh, Oliver Y. Gutiérrez, Juan Lopez-Ruiz, Huamin Wang, Jamie D. Holladay, Yue Liu, Abhijeet Karkamkar, Robert S Weber , Asanga B. Padmaperuma, Mal-Soon Lee, Greg A. Whyatt, Michael Elliott, Johnathan E. Holladay, Jonathan L. Male, Johannes A. Lercher, Roger Rousseau și Vassiliki-Alexandra Glezakou, 17 septembrie 2020, Revizuiri chimice.
DOI: 10.1021 / acs.chemrev.0c00158

Inițiativa de transformare chimică la PNNL este finanțată de Programul de cercetare și dezvoltare ghidat de laborator.

Printre co-autori ai recenziei se numără Sneha A. Akhade, PNNL și Lawrence Livermore National Laboratory; Nirala Singh, PNNL și Universitatea din Michigan; Oliver Y. Gutiérrez, PNNL; Juan Lopez-Ruiz, PNNL; Huamin Wang, PNNL; Jamie D. Holladay, PNNL; Yue Liu, TU München; Abhijeet Karkamkar, PNNL; Robert S. Weber, PNNL; Asanga B. Padmaperuma, PNNL; Mal-Soon Lee, PNNL; Greg A. Whyatt, PNNL; Michael Elliott, PNNL; Johnathan E. Holladay, PNNL; Jonathan L. Male, PNNL; și Johannes A. Lercher, PNNL și TU München.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.