Team forfiner filtre til grønnere naturgas

Naturgasproducenter ønsker at trække al den metan, de kan, fra en brønd, mens de binder så meget kuldioxid som muligt, og kunne bruge filtre, der optimerer enten kulstoffangst eller metanflow. Intet enkelt filter vil gøre begge dele, men takket være Rice University-forskere, de ved nu, hvordan de finjusterer sorbenter til deres behov.

Subtile justeringer i fremstillingen af ​​en polymer-baseret kulstofsorbent gør det til det bedst kendte materiale enten til at opfange drivhusgassen eller balancere kulstoffangst med metanselektivitet, ifølge Rice kemiker Andrew Barron.

De nærmere detaljer er i et papir i denne måned af Barron og Rice-forsker Saunab Ghosh i tidsskriftet Royal Society of Chemistry Bæredygtig energi og brændstoffer .

"Udfordringen er at opfange så meget kulstof som muligt og samtidig tillade metan at strømme igennem ved typiske brøndhovedtryk, " sagde Barron. "Vi har defineret parametrene på et kort, der giver industrien det bedste sæt muligheder til dato."

Tidligere arbejde fra laboratoriet fastslog, at kulfiltre maksimerede deres indfangningsevne med et overfladeareal på 2, 800 kvadratmeter per gram og et porevolumen på 1,35 kubikcentimeter per gram. De opdagede også, at det bedste kulstoffangstmateriale ikke opnåede den bedste afvejning mellem kulstof- og methanselektivitet. Med det nye arbejde, de ved, hvordan man tuner materialet til det ene eller det andet, sagde Barron.

"Den traditionelle tilgang har været at fremstille materialer med stadigt stigende porevolumen og relatere dette til en bedre adsorbent; dog, det ser ud til at være lidt mere subtilt, " han sagde.

Laboratoriet lavede sine seneste filtre ved at opvarme en polymerprecursor og derefter behandle den med et kemisk aktiveringsreagens af kalium, ilt og brint, alias KOH. Når polymeren bages med KOH ved temperaturer over 500 grader Celsius (932 grader Fahrenheit), det bliver et meget porøst filter, fuld af kanaler i nanoskala, der kan fange kulstof.

Forholdet mellem KOH og polymer under forarbejdningen viste sig at være den kritiske faktor for at bestemme det endelige filters egenskaber. At lave filtre med et 3-til-1-forhold mellem KOH og polymer gav det et overfladeareal på 2, 700 kvadratmeter pr. gram og maksimeret kuldioxidoptagelse under tryk på 5 til 30 bar. (En bar er lidt mindre end det gennemsnitlige atmosfæriske tryk ved havoverfladen.)

Filtre lavet med et 2-til-1-forhold mellem KOH og polymer havde mindre overfladeareal-2, 200 kvadratmeter per gram — og et lavere porevolumen. Det resulterede i den optimale kombination af kuldioxidoptagelse og methanselektivitet.

Størrelsen af ​​porerne var også kritisk. Filtre med maksimal kulstofoptagelse havde den største andel af porer mindre end 2 nanometer. Større porer var bedre for metanselektivitet.

"Det ser ud til, at det samlede porevolumen er mindre vigtigt end den relative mængde af porer ved specifikke størrelser, " sagde Barron. "Vores mål var at skabe en guide til forskere og industri til at designe bedre materialer.

"Ikke kun kan disse materialer bruges til kuldioxidseparation fra naturgas, men de er også modeller for kuldioxidbinding i en naturressource. Dette er den fremtidige retning for vores forskning."