Reduktion af den energi, der kræves for at omdanne CO2-affald til værdifulde ressourcer

Overskud af industriel kuldioxid skaber en mulighed for at omdanne affald til en værdifuld vare. Overskydende CO2 kan være et råmateriale til kemikalier, der typisk stammer fra fossile brændstoffer, men processen er energikrævende og dyr. University of Illinois kemiingeniører har vurderet den tekniske og økonomiske gennemførlighed af en ny elektrolyseteknologi, der bruger et billigt biobrændstofbiprodukt til at reducere energiforbruget i processen med affald til værdi med 53 procent.

De nye resultater er offentliggjort i tidsskriftet Naturenergi .

Omdannelse af CO2 til kemikalier som ethylen til plast er mulig gennem en proces kaldet elektrokemisk reduktion. Typisk, en strøm af CO2-gas og en flydende elektrolyt bevæger sig gennem en elektrolysecelle, der nedbryder CO2'en til molekyler som ethylen på katoden, men det producerer også ilt fra vand på anoden, sagde forskerne.

"Omkring 90 procent af den energi, der kræves til konventionel CO2-reduktion, bliver brugt af de iltproducerende, anodesiden af ​​en elektrolysecelle, " sagde Paul Kenis, en kemisk og biomolekylær ingeniørprofessor, afdelingsformand og studiemedforfatter. "Men der er ikke noget stort marked for det overskydende ilt, så 90 procent af energien er stort set spildt."

At finde et fodermateriale, der reducerer energien til at drive anodereaktionen, kunne være en strategi til radikalt at reducere energibehovet til CO2-omdannelse, ifølge en nylig rapport fra National Academies, som Kenis var medforfatter til.

Den nye undersøgelse foreslår glycerol - et organisk biprodukt af sukkerrørs biobrændstofproduktion, der kræver mindre energi at oxidere - som et alternativ til det energiintensive iltproducerende trin.

For at teste, om den nye elektrolyseteknik har potentialet til at skubbe hele CO2-omdannelsesprocessen til et kulstofneutralt eller negativt budget, forskerne undersøgte omkostningerne og energiforbruget for produktionscyklussen af ​​affald-til-værdi-processen. Firetrinscyklussen omfatter opsamling af industriel CO2-affaldsgas, input af elektricitet, den nye

"Vores model bruger den nuværende opsætning af elnet som kilde til elektricitet for at gøre scenariet mere realistisk, " sagde Kenis. "At være i stand til at drive CO2-konvertering med allerede på plads infrastruktur - og ikke stole på håbet om, at det fremtidige net bliver drevet af 100 procent vedvarende energi - mens opnåelse af CO2-neutralitet eller negativitet kan være et helligt scenarie."

Analysen omfatter best- og worst-case CO2-emissioner og energiforbrugsscenarier og konkluderer, at udsigterne til CO2-reduktion, med hensyn til CO2-udledning og økonomi, kan forbedres drastisk ved at se ud over konventionelle anodereaktioner.

"Den glycerolbaserede elektrolysereaktion viser meget lovende. vi vil fortsætte med at udforske andre organiske affaldsmaterialer, fordi selv når produktionen stiger i kølvandet på øget produktion af biobrændstoffer, det vil stadig ikke være nok til fuldt ud at understøtte behovet, " sagde Kenis. "Den gode nyhed er, at den involverede kemi er fleksibel, og der er en masse organiske affaldsprodukter, der kan gøre arbejdet."

Mange forskere fokuserer på at forbedre selektiviteten og aktiviteten af ​​kemiske katalysatorer til CO2-reduktionsreaktioner, og det arbejde skal fortsætte, sagde Sumit Verma, en tidligere kemisk og biomolekylær ingeniørstuderende og studiemedforfatter. "At se ud over iltudviklingen på anoden virker som en win-win situation, da vi ikke kun reducerer processernes energiforbrug, men også producerer en anden værdifuld produktstrøm, " han sagde.