Ny svovldioxidomdannelsesmetode kan ændre nuværende industrielle teknikker

Et enkelt trin, plasma-forstærket katalytisk proces til at omdanne svovldioxid til rent svovl fra halegasstrømme kan give en lovende, mere miljøvenligt alternativ til nuværende flertrins termisk, katalytiske og absorberende processer, ifølge forskere ved Penn State.

"Svovldioxider kan forårsage betydelige miljøproblemer som sur regn, og det kan forårsage havforsuring, " sagde Xiaoxing Wang, forskningslektor ved Penn State EMS Energy Institute. "Svovl kan også bidrage til fine partikler i den luft, vi indånder, som kan være mere alvorlig end svovldioxiden selv."

Eksponering for partikler blev estimeret til at forårsage 4,2 millioner for tidlige dødsfald og mere end 100 millioner handicapjusterede leveår – hvilket måler år tabt på grund af sygdom, handicap eller død – ifølge Lancet Global Burden of Diseases Study, udgivet i 2015.

Ifølge Wang, nuværende afsvovlingsmetoder kan med held fjerne svovldioxid fra halegasstrømme, men ikke uden væsentlige ulemper.

Røggasafsvovlingsteknologier, for eksempel, er de mest brugte metoder til at opfange svovldioxid, men disse processer skaber en stor mængde fast affald i form af metalsulfat, som kræver bortskaffelse. Desuden, disse processer producerer spildevand, der kræver yderligere behandling, gør den overordnede metode dyr og miljøvenlig.

Alternativt svovldioxid kan reduceres til fast elementært svovl gennem katalyse - en kemisk reaktion forårsaget af en katalysator og normalt et reduktionsmiddel såsom brint, metan, eller kulilte - og derefter brugt som råmateriale til ting som gødning. Imidlertid, høje temperaturer er normalt nødvendige i den traditionelle katalytiske proces for at opnå høje omdannelsesniveauer. Dette er ikke ideelt, fordi det bruger meget energi, og der er et tab af katalysatoraktivitet, ifølge forskerne.

På grund af disse fejl, Wang og hans kolleger testede en ny teknologi, et et-trins, lavtemperatur plasma-assisteret katalytisk proces, der eliminerer behovet for høje temperaturer og skaber langt mindre spild end FGD-teknologier.

For at teste denne proces, holdet fyldte en jernsulfidkatalysator i en reaktor med pakket leje. Derefter introducerede de hydrogen- og svovldioxidgasblandingerne, som passerede gennem katalysatorlejet ved omkring 300 grader Fahrenheit. De tændte derefter for det ikke-termiske plasma, og reaktionerne begyndte straks at forekomme.

Når processen er afsluttet, de analyserede prøverne for at se, hvor meget svovldioxid der var i gassen, og hvor meget brint der blev forbrugt. De indsamlede og analyserede også det faste svovl, som samler sig i bunden af ​​reaktoren. De offentliggjorde deres resultater i ACS katalyse og et nyligt nummer af Journal of Catalysis.

"Temperaturen vi brugte, 150 grader C (ca. 300 grader F), er højere end svovlsmeltepunktet for at undgå svovlaflejring over katalysatoren, " sagde Wang. "Gennem denne proces, Katalysatoren viser meget fremragende stabilitet. Når man kører i flere timer, vi ser ingen deaktivering. Aktiviteten og selektiviteten forbliver den samme."

Forskerne fandt også ud af, at denne proces dramatisk fremmede svovldioxidreduktion ved lave temperaturer, øger omdannelsen med 148 % til 200 procent og 87 til 120 procent ved brug af brint og methan, henholdsvis.

Sean Knecht, assisterende lærer ved School of Engineering Design, Teknologi og professionelle programmer, sagde, at NTP virker, fordi meget energiske elektroner interagerer med gasmolekyler for at producere reaktive arter - radikaler, ioner og exciterede molekyler - hvilket muliggør forskellige kemiske reaktioner ved lav temperatur.

"Resultatet er, at elektronerne er i stand til at igangsætte, hvad der ser ud til at være termodynamisk ugunstige kemiske reaktioner gennem dissociation og excitation af reaktanter ved meget lavere temperaturer end termisk katalyse, " sagde Knecht. "Hvis disse reaktioner kan udføres ved meget lavere temperaturer end typisk for termisk katalyse, som vi har vist, så reduceres strømtilførslen til fremtidige systemer betydeligt, hvilket er en stor sag."

Wang tilføjede, at brugen af ​​plasma giver dem mulighed for at opnå optimal ydeevne ved brug af kun 10 watt elektricitet. En anden fordel er, at vedvarende energi, såsom vind eller sol, kan nemt anvendes til denne proces for at levere strøm til plasmaet.

Forskerne ønsker nu bedre at forstå præcis, hvordan plasmaet bidrager til katalyseprocessen og søger at udvikle en endnu mere effektiv katalysator til processen.

"En aktuel udfordring, som vi arbejder på at løse, er yderligere at isolere virkningerne af plasma versus virkningerne af katalysatoren og de synergistiske aspekter, " sagde Knecht. "Vi ser på nogle muligheder for overfladespektroskopi i øjeblikket og på et tidspunkt, kombineret med beregningsmodellering. At bringe disse sammen kan give en mere holistisk forståelse af fysikken og kemien i spil."

Hvis processen er kommercialiserbar, det har potentialet til stort set at erstatte de nuværende FDG-teknologier.

"Det er meget gavnligt for energi og miljø, " sagde Wang. "Vores proces sparer energi, reducerer spild og sparer vand. Det er meget transformerende."