Мембраны, выделяющие кислород из воздуха, помогут снизить выбросы CO2

Как ни парадоксально, но одним из способов снизить количество выбросов углекислого газа в атмосферу может быть производство чистого углекислого газа на электростанциях, сжигающих ископаемое топливо. Таким образом, парниковые газыможно поглощать и хранить в природных резервуарах глубоко в земной коре.

Такая «углеродопоглощающая» технология может значительно снизить выбросы парниковых газов из дешевых и многочисленных источников, таких как уголь и природный газ, а также поможет минимизировать влияние ископаемого топливана изменение климата. Но на данный момент извлечение углекислого газа из субродуктов электростанций - очень дорогостоящий процесс, требующий огромных затрат энергии, специальных химикатов и дополнительного оборудования.

В настоящий момент ученые из Массачусетского технологического института оценивают систему, которая эффективно удаляет азот из процесса сгорания, в результате чего образуется чистый поток углекислого газа и удаляются другие побочные продукты горения, такие как вода и другие газы.

Основой системы является керамическая мембрана, служащая для выделения кислорода из воздуха. Сжигание топлива в чистом кислороде, в отличие от воздуха – этот процесс называется кислородно-топливное горение, - приводит к образованию потока углекислого газа без примесей.

Ученые построили в лаборатории малый реактор для испытания мембранной технологии и начали задавать параметры работы мембран в экстремальных условиях, характерных для электростанций. Результаты их работы будут опубликованы в журнале «JournalofMembraneSciences» и представлены на Международном симпозиуме по процессам горения в августе.

Ахмед Гонием, профессор инженерных наук в МТИ, говорит, что технологияиспользования керамических мембран может быть дешевым, энергосберегающим решением проблемы поглощения углекислого газа.

«Мы работаем над тем, чтобы производить это разделение наиболее эффективным способом и, желательно, наименее дорогим, - заявляет Гонием. – Вся технология преследует одну конечную цель –продолжить использование дешевого ископаемого топлива, производить электроэнергию с наименьшими затратами и наиболее удобным способом, но при этом снизить количество выбросов CO₂ватмосферу».

Группа ученых под руководством Гониемасотрудничает с коллегами из МТИ, а также с производителями мембран, над усовершенствованием технологии и выработкой руководства по эксплуатации мембран на электростанциях. Это не первое исследование ученых в этой области. Ранее они представили миру новую технологию под названием кислородно-топливное горение под давлением, с помощью которой повышается эффективность реакций и снижается потребление топлива.

Потоки чистого кислорода

Воздух, которым мы дышим, состоит преимущественно из азота (78%) и кислорода (21%). Обычно для процесса разделения кислорода и азота требуется криогенная установка, которая охлаждает поступающий воздух до температуры, достаточно низкой для сжижения кислорода.

И хотя эта технология позволяет производить жидкий кислород, это довольно дорогой и сложный процесс, требующий значительных затрат энергии, что может повлиять на работу электростанции.

Гонием считает, что использование керамических мембран, обеспечивающих процесс горения кислородом, может быть намного более эффективным, затрачивать меньше энергии для производства чистого кислорода и полностью поглощать углекислый газ. Он уверен, что технология найдет широкое применение как на новых электростанциях, так и в качестве модификации на уже существующих, позволяя снизить количество выбросов парниковых газов.

Керамические мембраны – это избирательно проницаемые материалы, пропускающие только кислород. Эти мембраны состоят из оксидов таких металлов, как лантан и железо, и могут выдерживать чрезвычайно высокие температуры, что является несомненным преимуществом в суровых условиях электростанции.Керамические мембраны отделяют кислород при помощи механизма под названием перенос ионов, при котором ионы кислорода проходят сквозь мембрану и притягиваются к стороне с меньшим содержанием кислорода.

Двух зайцев одним выстрелом

Гонием и его коллеги построили малый реактор с керамическими мембранами и изучили получавшийся в результате кислород. Они увидели, что при прохождении воздуха сквозь мембрану кислород накапливается с противоположной стороны, в конце концов замедляя процесс разделения воздуха на составляющие. Чтобы предотвратить накопление кислорода, ученые вмонтировали в реактор систему сгорания.

Они обнаружили, что в такой двойной системе кислород проходит сквозь мембрану и смешивается с потоком топлива с обратной стороны, сгорает и производит тепло. Когда кислород сгорает, освобождается место для новой порции кислорода, поступающей сквозь мембрану. Гонием считает, что система чрезвычайно эффективна, так как решает сразу две задачи: позволяет выделить кислород из воздуха и одновременно поддерживает процесс горения.

«Оказывается, это очень разумный подход, - заявляет Гонием. – Система более компактна, так как процесс горения происходит там же, где и процесс разделения воздуха на составляющие. Так что мы их объединяем, упрощаем, снижаем затраты энергии и экономические издержки горения в чистом кислороде и производства углекислого газа».

Сейчас ученые тестируют систему в лабораторных условиях при разных температурах, давлении и условиях подачи топлива. Они также создали сложную вычислительную модель для симуляции работы системы в большем масштабе, на электростанции.

Ученые обнаружили, что поток кислорода сквозь мембрану зависит от ее температуры: чем выше температура мембраны со стороны горения, тем быстрее кислород проходит сквозь нее и тем быстрее сгорает топливо. Также они выяснили, что хотя температура газа может превышать предел, который выдерживает материал, поток газа не дает мембране расплавиться.

«Мы изучили систему достаточно хорошо для того, чтобы при желании применить ее на электростанциях, - заявляет Гонием. – Тогда  электростанции станут намного более сложными, с оборудованиемнового поколения и смогут намного больше того, что могут сейчас. Мы должны показать, что новые идеи надежны, и убедить предприятия использовать их».

В группу Гониема входит исследователь Патрик Кирхени аспиранты Джеймс Хонг и Антон Хант. Ученые сотрудничали с факультетом Университета нефти и минералов короля Фахда в Саудовской Аравии. Исследование финансировалось этим университетом и Университетом наук и технологий короля Абдуллы.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.energy-daily.com/reports/Oxygen_separation_membranes_could_aid_in_CO2_reduction_999.html