Ученые из Нидерландской организации прикладных научных исследований предложили эффективный способ очистки углекислого газа, который планируется закачивать под землю или использовать в промышленности. Они разработали технологию, позволяющую удалять из CO2 угарный газ с помощью химического циклирования. Данный метод не только повышает чистоту углекислого газа, но и позволяет извлекать дополнительную энергию из примесей, которые обычно приходится удалять.
Главная проблема при улавливании и хранении углекислого газа заключается в том, что CO2 редко бывает полностью чистым. В нем могут присутствовать примеси, способные навредить трубопроводам, подземным хранилищам или катализаторам при последующем использовании газа. Особенно строгие требования предъявляются к содержанию угарного газа, концентрация которого не должна превышать примерно 100-300 частей на миллион. Существующие методы очистки требуют либо значительных затрат энергии, либо сложного оборудования. Помимо этого, они сами могут вносить дополнительные загрязнители в газовый поток.
Чтобы решить эту проблему, ученые предложили использовать технологию химического циклирования. Этот процесс проходит в два этапа и использует частицы оксида металла.
На первом этапе поток CO2 с примесью CO пропускают через слой оксида металла. Оксид отдает кислород молекулам CO, в результате чего угарный газ окисляется и превращается в CO2. Сам оксид металла при этом частично восстанавливается. На втором этапе его снова окисляют воздухом, возвращая в исходное состояние и подготавливая к новому циклу работы. Таким образом, система действует как своеобразный химический фильтр, очищающий газ без внесения посторонних веществ.
Сначала ученые провели термодинамический анализ, чтобы выбрать наиболее подходящие материалы. Они рассмотрели оксиды никеля, меди, марганца и железа при температурах ниже 700 oC и небольшой концентрации CO. Наиболее перспективными оказались соединения меди и железа, тогда как никель и марганец продемонстрировали менее устойчивые результаты. При этом обе стадии процесса для выбранных материалов оказались экзотермическими. Это дает возможность использовать высвобождающуюся энергию, например, для производства пара или электричества.
Особое внимание в экспериментах ученые уделили железу, которое отличается доступностью и сравнительной дешевизной. Они испытали несколько типов материалов на основе оксида железа с добавлением оксида алюминия в качестве носителя. Лучшие результаты продемонстрировал образец, полученный методом пропитки. Он выдержал около 200 циклов при температурах от 400 до 550 oC, стабильно окисляя угарный газ до CO2. Эксперименты также показали, что технология эффективно работает даже при концентрациях CO около 2000-4000 частей на миллион, что соответствует условиям реальных промышленных потоков.
Ученые также обнаружили, что повышение температуры до примерно 450 oC заметно увеличивает время полной конверсии угарного газа, однако дальнейший нагрев дает все меньший дополнительный эффект. Оптимальный температурный режим зависит от конкретной технологической схемы и возможностей утилизации выделяющегося тепла.
Хотя железосодержащие материалы показали хорошие результаты, ученые предполагают, что могут существовать соединения с более высокой скоростью реакции или большей долговечностью. Они планируют испытать другие материалы и провести технико-экономический анализ. Это позволит оценить, насколько такой способ очистки может оказаться выгоднее существующих методов, включая криогенное разделение и каталитическое окисление.
