Циментови фабрики като показаната тук са основен източник на въглероден диоксид, който затопля климата. Но някои от тези замърсители могат да бъдат превърнати в нов вид гориво. Тази сол може да се съхранява безопасно в продължение на десетилетия или повече.
Това е поредната история от поредица, разглеждаща нови технологии и действия, които могат да забавят изменението на климата, да намалят неговото въздействие или да помогнат на общностите да се справят с бързо променящия се свят.
Дейностите, които отделят въглероден диоксид (CO2), често срещан парников газ, допринасят за затоплянето на земната атмосфера. Идеята за извличане на CO2 от въздуха и съхранението му не е нова. Но е трудно осъществима, особено когато хората могат да си го позволят. Нова система решава проблема със замърсяването с CO2 по малко по-различен начин. Тя химически преобразува затоплящия климата газ в гориво.
На 15 ноември изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) в Кеймбридж публикуваха своите революционни резултати в списанието Cell Reports Physical Science.
Новата им система е разделена на две части. Първата част включва преобразуване на въглеродния диоксид от въздуха в молекула, наречена формиат, за производството на гориво. Подобно на въглеродния диоксид, формиатът съдържа един въглероден атом и два кислородни атома, както и един водороден атом. Форматът съдържа и няколко други елемента. Новото проучване използва формиатна сол, която се получава от натрий или калий.
Повечето горивни клетки работят с водород, запалим газ, който изисква тръбопроводи и резервоари под налягане за транспортиране. Горивните клетки обаче могат да работят и с формиат. Форматът има енергийно съдържание, сравнимо с водорода, според Ли Джу, учен по материалите, който ръководи разработването на новата система. Форматът има някои предимства пред водорода, отбеляза Ли Джу. Той е по-безопасен и не изисква съхранение под високо налягане.
Изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) създали горивна клетка, за да тестват формиат, който произвеждат от въглероден диоксид. Първо, те смесили солта с вода. След това сместа била подадена в горивна клетка. Вътре в горивната клетка формиатът освободил електрони в химическа реакция. Тези електрони се преместили от отрицателния електрод на горивната клетка към положителния електрод, затваряйки електрическа верига. Тези течащи електрони – електрически ток – присъствали в продължение на 200 часа по време на експеримента.
Жен Джанг, учен по материалознание, работещ с Ли в MIT, е оптимист, че екипът му ще може да мащабира новата технология в рамките на едно десетилетие.
Изследователският екип на MIT използва химичен метод, за да превърне въглеродния диоксид в ключова съставка за производството на гориво. Първо, те го подложиха на силно алкален разтвор. Те избраха натриев хидроксид (NaOH), известен като луга. Това задейства химическа реакция, която произвежда натриев бикарбонат (NaHCO3), по-известен като сода бикарбонат.
След това те включили захранването. Електрическият ток задействал нова химическа реакция, която разделила всеки кислороден атом в молекулата на содата за хляб, оставяйки натриев формиат (NaCHO2). Системата им преобразувала почти целия въглерод в CO2 - повече от 96 процента - в тази сол.
Енергията, необходима за отстраняване на кислорода, се съхранява в химичните връзки на формиата. Професор Ли отбеляза, че формиатът може да съхранява тази енергия в продължение на десетилетия, без да губи потенциална енергия. След това той генерира електричество, когато преминава през горивна клетка. Ако електричеството, използвано за производството на формиат, идва от слънчева, вятърна или водноелектрическа енергия, електричеството, генерирано от горивната клетка, ще бъде чист енергиен източник.
За да разширим мащаба на новата технология, Лий каза, „трябва да открием богати геоложки ресурси на луга“. Той изучи вид скала, наречена алкален базалт (AL-kuh-lye buh-SALT). Когато се смесят с вода, тези скали се превръщат в луга.
Фарзан Каземифар е инженер в Държавния университет на Сан Хосе в Калифорния. Неговите изследвания са фокусирани върху съхранението на въглероден диоксид в подземни солни образувания. Премахването на въглероден диоксид от въздуха винаги е било трудно и следователно скъпо, казва той. Затова е изгодно да се преобразува CO2 в използваеми продукти като формиат. Цената на продукта може да компенсира производствените разходи.
Проведени са много изследвания за улавяне на въглероден диоксид от въздуха. Например, екип от учени от университета Лихай наскоро описа друг метод за филтриране на въглероден диоксид от въздуха и превръщането му в сода бикарбонат. Други изследователски групи съхраняват CO2 в специални скали, превръщайки го в твърд въглерод, който след това може да бъде преработен в етанол, алкохолно гориво. Повечето от тези проекти са с малък мащаб и все още не са оказали значително влияние върху намаляването на високите нива на въглероден диоксид във въздуха.
Това изображение показва къща, която работи с въглероден диоксид. Устройството, показано тук, преобразува въглеродния диоксид (молекулите в червените и белите мехурчета) в сол, наречена формиат (сините, червените, белите и черните мехурчета). Тази сол може да се използва в горивна клетка за генериране на електричество.
Каземифар каза, че най-добрият ни вариант е „първо да намалим емисиите на парникови газове“. Един от начините да направим това е да заменим изкопаемите горива с възобновяеми енергийни източници като вятъра или слънцето. Това е част от преход, който учените наричат ​​„декарбонизация“. Но той добави, че спирането на изменението на климата ще изисква многостранен подход. Тази нова технология е необходима за улавяне на въглерод в райони, които са трудни за декарбонизация, каза той. Вземете стоманодобивните заводи и циментовите фабрики, за да посочим два примера.
Екипът на MIT също вижда ползи от комбинирането на новата си технология със слънчева и вятърна енергия. Традиционните батерии са проектирани да съхраняват енергия в продължение на седмици. Съхраняването на лятна слънчева светлина през зимата или по-дълго изисква различен подход. „С формиатното гориво“, каза Лий, вече не сте ограничени дори до сезонно съхранение. „Това може да се дължи на поколенията.“
Може да не блести като злато, но „мога да оставя 200 тона... формиат на синовете и дъщерите си“, каза Лий, „като наследство“.
Алкален: Прилагателно име, описващо химично вещество, което образува хидроксидни йони (OH-) в разтвор. Тези разтвори се наричат ​​още алкални (за разлика от киселинни) и имат pH по-високо от 7.
Водоносен хоризонт: Скално образувание, способно да задържа подземни резервоари с вода. Терминът се отнася и за подземни басейни.
Базалт: Черна вулканична скала, която обикновено е много плътна (освен ако вулканично изригване не е оставило големи газови джобове в нея).
връзка: (в химията) полупостоянна връзка между атоми (или групи от атоми) в молекула. ​​Тя се образува от сили на привличане между участващите атоми. След като връзките се образуват, атомите функционират като едно цяло. За да се разделят съставните атоми, на молекулите трябва да се достави енергия под формата на топлина или друго излъчване.
Въглерод: Химичен елемент, който е физическата основа на целия живот на Земята. Въглеродът съществува свободно под формата на графит и диамант. Той е важен компонент на въглищата, варовика и петрола и е способен химически да се самоасоциира, за да образува голямо разнообразие от молекули с химическа, биологична и търговска стойност. (В климатичните изследвания) Терминът въглерод понякога се използва почти взаимозаменяемо с въглеродния диоксид, за да се обозначи потенциалното въздействие, което дадено действие, продукт, политика или процес може да окаже върху дългосрочното затопляне на атмосферата.
Въглероден диоксид: (или CO2) е безцветен газ без мирис, произвеждан от всички животни, когато кислородът, който дишат, реагира с богатата на въглерод храна, която консумират. Въглеродният диоксид се отделя и при изгарянето на органична материя, включително изкопаеми горива като нефт или природен газ. Въглеродният диоксид е парников газ, който задържа топлината в земната атмосфера. Растенията преобразуват въглеродния диоксид в кислород чрез фотосинтеза и използват този процес, за да произвеждат собствена храна.
Цимент: Свързващо вещество, използвано за задържане на два материала заедно, което води до втвърдяването му в твърдо състояние, или гъсто лепило, използвано за задържане на два материала заедно. (Строителство) Фино смлян материал, използван за свързване на пясък или натрошен камък, за да се образува бетон. Циментът обикновено се прави под формата на прах. Но след като се намокри, той се превръща в кална каша, която се втвърдява, когато изсъхне.
Химикал: Вещество, съставено от два или повече атома, комбинирани (свързани) във фиксирана пропорция и структура. Например, водата е химично вещество, съставено от два водородни атома, свързани с един кислороден атом. Химичната ѝ формула е H₂O. „Химикал“ може да се използва и като прилагателно, за да се опишат свойствата на вещество, които са резултат от различни реакции между различни съединения.
Химична връзка: Сила на привличане между атомите, която е достатъчно силна, за да накара свързаните елементи да функционират като едно цяло. Някои привличания са слаби, други са силни. Всички връзки изглежда свързват атомите чрез споделяне (или опит за споделяне) на електрони.
Химична реакция: Процес, включващ пренареждане на молекулите или структурите на веществото, а не промяна във физическата му форма (например от твърдо състояние в газообразно).
Химия: клон на науката, който изучава състава, структурата, свойствата и взаимодействията на веществата. Учените използват тези знания, за да изучават непознати вещества, да възпроизвеждат полезни вещества в големи количества или да проектират и създават нови полезни вещества. (на химични съединения) Химията се отнася също до формулата на съединение, метода, по който се приготвя, или някои от неговите свойства. Хората, които работят в тази област, се наричат ​​химици. (в социалните науки) способността на хората да си сътрудничат, да се разбират и да се наслаждават на компанията си.
Климатични промени: Значителна, дългосрочна промяна в климата на Земята. Това може да се случи по естествен път или в резултат на човешка дейност, включително изгаряне на изкопаеми гори и изсичане на гори.
Декарбонизация: отнася се до целенасочен преход от замърсяващи технологии, дейности и енергийни източници, които отделят в атмосферата парникови газове на основата на въглерод, като въглероден диоксид и метан. Целта е да се намали количеството въглеродни газове, които допринасят за изменението на климата.
Електричество: Потокът от електрически заряд, обикновено резултат от движението на отрицателно заредени частици, наречени електрони.
Електрон: отрицателно заредена частица, която обикновено обикаля около външната област на атома; тя е и носител на електричество в твърдите тела.
Инженер: Някой, който използва науката и математиката за решаване на проблеми. Когато се използва като глагол, думата „инженер“ се отнася до проектирането на устройство, материал или процес за решаване на проблем или незадоволена нужда.
Етанол: Алкохол, наричан още етилов алкохол, който е основата на алкохолни напитки като бира, вино и спиртни напитки. Използва се също като разтворител и гориво (например, често се смесва с бензин).
Филтър: (същ.) Нещо, което позволява на някои материали да преминават, а на други – в зависимост от техния размер или други характеристики. (гл.) Процесът на селектиране на определени вещества въз основа на свойства като размер, плътност, заряд и др. (във физиката) Екран, плоча или слой от вещество, което абсорбира светлина или друго лъчение или селективно предотвратява преминаването на някои от неговите компоненти.
Формат: Общ термин за соли или естери на мравчена киселина, окислена форма на мастна киселина. (Естерът е въглеродно съединение, образувано чрез заместване на водородните атоми на определени киселини с определени видове органични групи. Много мазнини и етерични масла са естествено срещащи се естери на мастни киселини.)
Изкопаемо гориво: Всяко гориво, като въглища, петрол (суров петрол) или природен газ, което се е образувало в продължение на милиони години във вътрешността на Земята от разлагащите се останки на бактерии, растения или животни.
Гориво: Всяко вещество, което освобождава енергия чрез контролирана химическа или ядрена реакция. Изкопаемите горива (въглища, природен газ и петрол) са често срещани горива, които освобождават енергия чрез химични реакции при нагряване (обикновено до точката на горене).
Горивна клетка: Устройство, което преобразува химическата енергия в електрическа. Най-разпространеното гориво е водородът, чийто единствен страничен продукт е водната пара.
Геология: Прилагателно име, описващо всичко, свързано с физическата структура на Земята, нейните материали, история и процесите, които протичат върху нея. Хората, които работят в тази област, се наричат ​​геолози.
Глобално затопляне: Постепенно повишаване на общата температура на земната атмосфера поради парниковия ефект. Ефектът се причинява от нарастващите нива на въглероден диоксид, хлорофлуоровъглероди и други газове във въздуха, много от които се отделят в резултат на човешка дейност.
Водород: Най-лекият елемент във Вселената. Като газ, той е безцветен, без мирис и изключително запалим. Той е компонент на много горива, мазнини и химикалите, които изграждат живата тъкан. Състои се от протон (ядрото) и електрон, който обикаля около него.
Иновация: (гл. да внедрявам иновации; прил. да внедрявам иновации) Коригиране или подобрение на съществуваща идея, процес или продукт, за да стане той по-нов, по-интелигентен, по-ефективен или по-полезен.
Луга: Общото наименование за разтвор на натриев хидроксид (NaOH). Лугата често се смесва с растителни масла или животински мазнини и други съставки, за да се направи твърд сапун.
Материалознание: Изследовател, който изучава връзката между атомната и молекулярната структура на даден материал и неговите общи свойства. Материалознанието може да разработва нови материали или да анализира съществуващи. Анализът на общите свойства на даден материал, като плътност, якост и точка на топене, може да помогне на инженери и други изследователи да изберат най-добрите материали за нови приложения.
Молекула: Група от електрически неутрални атоми, която представлява най-малкото възможно количество от химично съединение. Молекулите могат да бъдат съставени от един вид атом или от различни видове атоми. Например, кислородът във въздуха е съставен от два кислородни атома (O2), а водата е съставена от два водородни атома и един кислороден атом (H2O).
Замърсител: Вещество, което замърсява нещо, като например въздух, вода, хора или храна. Някои замърсители са химикали, като пестициди. Други замърсители могат да бъдат радиация, включително прекомерна топлина или светлина. Дори плевели и други инвазивни видове могат да се считат за форма на биологично замърсяване.
Мощен: Прилагателно, което се отнася до нещо много силно или мощно (като микроб, отрова, лекарство или киселина).
Възобновяем: Прилагателно, отнасящо се до ресурс, който може да бъде заменян за неопределено време (като вода, зелени растения, слънчева светлина и вятър). Това е в контраст с невъзобновяемите ресурси, които имат ограничени запаси и могат ефективно да бъдат изчерпани. Невъзобновяемите ресурси включват петрол (и други изкопаеми горива) или относително редки елементи и минерали.