Nyudviklede screeningsprocesser vil fremskynde forskning i kulstoffangst

University of Alberta forskere har udviklet teknikker, der sparer en betydelig mængde tid ved at udvikle mere effektive kulstoffangstteknologier, som kan hjælpe med at sænke omkostningerne ved at bruge teknologierne og øge deres indførelse som en måde at mindske kuldioxidemissioner på.

U of A ingeniørprofessor Arvind Rajendran og hans team udviklede en to-trins screeningsproces, der vurderer kulstoffangstmaterialer kaldet zeolitter på sekunder i stedet for en dag.

Zeolitter virker ved at adsorbere - dybest set klæber til - kuldioxidmolekyler, ligner den måde, lugte kan opfanges af kulfiltre i vores køleskabe. I kulstoffangstsystemer, "røggas"-udstødningen, der udsendes fra et kraftværk, kan ledes gennem zeolitterne, opfanger CO2, før det kommer ud i atmosfæren. Teoretisk set, millioner af forskellige typer materialer kan adsorbere CO2, men at være effektiv som en del af en industriel proces, et molekyle skal holde sig til CO2 og også frigive det på kommando, når kuldioxiden skal fanges eller bruges.

Imidlertid, ikke alle zeolitter er lige, Rajendrans team forklarer, nogle er meget bedre end andre til at holde sig til og frigive CO2.

Holdet, inklusive mastergraduate Vishal Subramanian Balashankar, vurderet 120, 000 zeolitter og var i stand til at skære dem ned til kun 7, 000, som så kunne screenes ned til to dusin gode mål ved hjælp af traditionelle metoder. Et af disse materialer ser ud til at være en væsentlig forbedring i forhold til det nuværende standardmateriale, zeolit-13x, hvilket resulterer i 17 procent mere effektivt strømforbrug.

Det andet værktøj – skabt sammen med U of A ingeniørprofessorerne Vinay Prasad og Zukui Li, og kandidatstuderende Kasturi Nagesh Pai og Gokul Subraveti - brugte kendt information om de kulstoffangende molekyler til at forudsige adfærd og ydeevne i et virkeligt system.

Brug af en maskinlæringsalgoritme eliminerer behovet for at simulere ydeevnen af ​​hvert molekyle, reducere beregningsbelastningen med en faktor på 10 uden at miste nøjagtigheden, Rajendran bemærkede.

Kulstoffangstteknologier kan forhindre kul- og naturgaskraftværker i at udsende kuldioxid, men de koster i øjeblikket så meget at installere og drive, at elselskaber tøver med at bruge dem, han tilføjede.

"Vores rolle er at levere disse værktøjer til at hjælpe kemikere med at finde bedre molekyler, og vores ekspertise er at designe processer, der bruger molekylerne til at fange kulstof, " forklarede Rajendran.

At finde de perfekte materialer, der passer ind i denne goldilocks-zone har altid været en udfordring, men gruppens nye maskinlæringsværktøjer peger forskere på levedygtige nye materialer til kulstoffangst, spare måneder tabt til blindgyder eller arbejde på ineffektive materialer. De hjælper også ingeniører med at forstå, hvilket kulstoffangstdesign der ville være mest effektivt.

Hvis adsorbenter er ligesom kulkøleskabsfiltre, maskinlæring hjælper forskerne med at forstå, hvilke mærker der er mest effektive til at fange lugte, og hvordan deres integration i køleskabet kan ændre effekten.

Den traditionelle proces med at træffe disse beslutninger var langsom, afhængig af besværligt arbejde og omfattende computersimuleringer. Ethvert muligt molekyle og hvert potentielt systemdesign skulle simuleres individuelt, kræver ekstraordinær computerkraft.

"Pointen er hurtigt at finde molekyler og systemer, der vil reducere omkostningerne ved at opfange kulstof, at bringe det ned et godt stykke under kulstofafgiften, så det rent faktisk bliver vedtaget, " sagde Rajendran.

Teknikkerne, for nylig udgivet i ACS Sustainable Chemistry &Engineering og Industriel og teknisk kemiforskning , kan tilpasses til at fremskynde opdagelser om andre slags materialer og processer relateret til klimaændringer og industrielle gasseparationer, herunder opgradering af metan og iltrensning - emner, som forskergruppen i øjeblikket studerer.

"Vi har brug for vedvarende energikilder, men vi vil have disse kulbrintesystemer i de kommende år, " sagde han. "Denne teknologi kan stoppe emissioner nu, og køb os tid til at fuldføre overgangen."