Nízkoemisná metóda premieňa odpadový plast na „voľný“ vodík

Vodík sa používa na pohon vozidiel, výrobu elektriny a vykurovanie našich domovov a podnikov. Vodík obsahuje viac energie na jednotku hmotnosti ako fosílne palivá, čo je dôležité z hľadiska životného prostredia, pretože hlavnou príčinou globálnych emisií skleníkových plynov je uvoľňovanie oxidu uhličitého zo spaľovania fosílnych palív.

Viac ako 95 % vodíka sa syntetizuje paro-metánovým reformovaním, ktoré produkuje 11 ton oxidu uhličitého na každú tonu vodíka, pričom prevažnú väčšinu tvorí šedý vodík. Na porovnanie, „zelený vodík“ vyrobený pomocou obnoviteľných zdrojov energie, ako je slnečná, veterná alebo vodná energia na rozdelenie vody na jednotlivé prvky, je drahý a stojí okolo 5 euro za približne jeden kilogram.

Výskumníci z Riceovej univerzity teraz vyvinuli prostriedok na získavanie cenného vodíka a grafénu z odpadového plastu pomocou metódy s nízkymi emisiami a bez katalyzátorov, ktorá má potenciál zaplatiť sa samá za seba.

„V tejto práci sme premenili odpadové plasty, vrátane zmiešaných odpadových plastov, ktoré sa nemusia triediť podľa typu alebo umývať, na plynný vodík s vysokou výťažnosťou a vysokohodnotný grafén,“ povedal Kevin Wyss, hlavný autor štúdie. „Ak sa vyrobený grafén predáva len za 5 % súčasnej trhovej hodnoty je to 95 % zľava. Čistý vodík by sa dal vyrábať zadarmo“.

Pri reformovaní parou a metánom sa na výrobu vodíka zo zdroja metánu, akým je zemný plyn, používa vysokoteplotná para (teploty 700 °C až 1 000 °C). Metán reaguje s parou v prítomnosti katalyzátora za vzniku vodíka, oxidu uhoľnatého a oxidu uhličitého.

„Hlavnou formou vodíka, ktorá sa dnes používa, je ‚sivý‘ vodík, ktorý sa vyrába paro-metánovým reformovaním, čo je metóda, ktorá vytvára veľa oxidu uhličitého,“ povedal James Tour, jeden zo zodpovedajúcich autorov štúdie. „Dopyt po vodíku bude v priebehu niekoľkých nasledujúcich desaťročí pravdepodobne raketovo stúpať, takže ak to myslíme vážne s dosiahnutím čistých nulových emisií do roku 2050, nemôžeme to robiť tak, ako doteraz“.

Odpadové plasty sú v životnom prostredí celé veky, ohrozujú voľne žijúce zvieratá a šíria toxíny škodlivé zvieratám aj ľuďom. V súčasnej štúdii výskumníci vystavili plastový odpad rýchlemu bleskovému Joulovému zahrievaniu na približne štyri sekundy. Zvýšenie teploty až na 3 100 kelvinov odparí vodík prítomný v plaste a zanechá za sebou grafén, ľahký a odolný materiál pozostávajúci z jedinej vrstvy atómov uhlíka. Grafén sa používa v elektronike, skladovaní energie, senzoroch, náteroch, kompozitoch a biomedicínskych zariadeniach, čo sú len niektoré z jeho aplikácií.

„Keď sme prvýkrát objavili bleskové Joulové zahrievanie a použili sme ho na recykláciu odpadového plastu na grafén, pozorovali sme, že sa z reaktora vytvára veľa prchavých plynov, ktoré z neho vystreľujú,“ povedal Wyss. „Zaujímalo nás, čo to je, podozrievali sme, že ide o zmes malých uhľovodíkov a vodíka, ale chýbali nám prístroje na štúdium ich presného zloženia“.

Po získaní vybavenia potrebného na analýzu odpareného obsahu výskumníci zistili, že ich podozrenia boli správne: proces produkoval plynný vodík.

„Vieme, že napríklad polyetylén je vyrobený z 86 % uhlíka a 14 % vodíka, a dokázali sme, že sme schopní získať až 68 % tohto atómového vodíka vo forme plynu s 94 % čistotou,“ povedal Wyss. „Vyvíjanie metód a odborných znalostí na charakterizáciu a kvantifikáciu všetkých plynov, vrátane vodíka, produkovaných touto metódou, bol pre mňa náročný, ale obohacujúci proces“.

Vedci tvrdia, že na základe hodnotenia životného cyklu ich metóda produkuje menej emisií ako iné metódy výroby vodíka. Hodnotenie životného cyklu je technika používaná na analýzu holistických environmentálnych vplyvov a požiadaviek na zdroje spojených s výrobnými metódami.

„Proces flash H2 poskytuje zlepšenie kumulatívnej spotreby energie (o 33 – 95 % menej energie) a emisií skleníkových plynov (o 65 – 89 % menej emisií) v porovnaní s inými metódami dekonštrukcie odpadových plastov alebo biomasy na výrobu vodíka,“ uviedli vedci. .

Vedci tvrdia, že výhodou ich procesu bleskového Joulovho ohrevu je to, že odpadový plast sa nemusí umývať ani separovať a možno ho využiť na výrobu čistého vodíka s negatívnymi nákladmi z odpadových materiálov. Plánujú lepšie porozumieť mechanizmu bleskového Joulovho zahrievania, aby zlepšili jeho škálovateľnosť a optimalizovali produkciu vodíka.

„Dúfam, že táto práca umožní produkciu čistého vodíka z odpadových plastov, prípadne vyrieši veľké environmentálne problémy, ako je znečistenie plastmi a produkcia vodíka náročná na skleníkové plyny reformovaním parou a metánom,“ povedal Wyss.

Štúdia bola nedávno publikovaná v magazíne Advanced Materials.