Svovlforurening fra kul og gas er ekstrem, men ny kemi kunne rydde op

Hvis mennesker skabte en emissionshal af skam, hvilke forurenende stoffer ville du udpege?

Kuldioxid og metan ville sandsynligvis være fanfavoritter. Men tag et øjeblik og overvej min mørke hestekandidat:svovldioxid. I modsætning til sine kulstofbaserede kolleger, svovldioxid betragtes ikke som en større drivhusgas og får ikke så meget opmærksomhed i medierne. I stedet, det gør sit beskidte arbejde på andre måder.

Svovldioxid udsendes primært ved afbrænding af fossile brændstoffer fra kraftværker, industri, biler, fly og skibe. Svovldioxidet finder derefter andre atmosfæriske molekyler i luften, kombineres med dem, og danner svovlholdige partikler.

Disse inhalerbare partikler kan være meget små-nogle mindre end en tiendedel af et menneskehårs bredde-og de bidrager til sur regn, dis og smog. Alle disse forårsager respiratoriske komplikationer og forværrer eksisterende tilstande såsom astma. Faktisk, disse partikler betragtes som luftforurenende med den største indvirkning på folkesundheden.

Jeg er en organisk kemiker, der udvikler teknologier til at løse udfordrende, store problemer som svovlforurening på et molekylært niveau.

Et globalt problem

Bor i Los Angeles, det er umuligt at undgå svovlholdige partikelforurening på daglig basis, og det er også et betydeligt folkesundhedsproblem i mange andre nordamerikanske byer. Andre dele af verden, herunder mange byer Indien og Kina, have det endnu værre.

Men der er en sølvkant til vores smogsky. Der henviser til, at kuldioxid er et nødvendigt biprodukt ved forbrænding af fossilt brændsel, svovldioxid er ikke. I modsætning til kulstof, svovl er faktisk en uønsket forurening i brændstoffer. Det betyder, at hvis alt svovl kunne fjernes fra fossile brændstoffer, før det brændes, svovlemissionerne ville blive reduceret og forureningen dæmpet.

Heldigvis, det meste af svovlet er allerede fjernet fra brændstoffer under raffinering gennem en bemærkelsesværdig kemisk proces kaldet hydroafsvovling. Svovlet fjernes fra brændstoffet i form af hydrogensulfid, som efterfølgende omdannes til fast svovl, eller svovlsyre. Men visse genstridige svovlmolekyler har en tendens til helt at omgå denne proces, og disse forurenende stoffer finder vej ind i vores gastanke. For eksempel, selv ultra-lav svovl diesel (ULSD) indeholder omkring 10 til 15 dele pr. million svovl.

Hydroafsvovlingsprocessen er afhængig af en metalkatalysator, højt tryk af hydrogengas, og høje temperaturer - det er meget kompleks videnskab og teknik. Katalysator og raffineringsekspert Valentin Parmon reflekterede over, hvor sofistikeret denne proces egentlig er i et 2016 -foredrag. I det, han bemærkede, at der er flere lande med den tekniske kapacitet til at producere atomvåben end lande, der i væsentlig grad kan forfine brændstoffer.

Med den globale efterspørgsel efter olie forventet at vokse indtil omkring 2040, forskere og ingeniører skal hurtigt finde en måde at yderligere reducere mængden af ​​svovl i brændstoffer, ideelt set til ubetydelige niveauer. Et sådant gennembrud ville give mennesker over hele verden en chance for at trække vejret lettere.

Accelererende kemi

I 2016, Jeg forsvarede min ph.d. i organisk kemi fra Grubbs -laboratoriet i Caltech. Under mine studier, mit team og jeg opdagede, at en klasse af molekyler indeholdende elementet kalium kunne fungere som katalysatorer og forbedre udfordrende kemiske processer. Denne form for adfærd var meget overraskende, fordi industrielle katalysatorer ofte bruger dyre tungmetaller, som palladium, eller andre metaller, der kræver høje temperaturer for at være aktive. I modsætning, kalium er en bestanddel af almindelige mineraler. Det er det syvende mest udbredte element i jordskorpen - 20 millioner gange mere rigeligt end palladium og størrelsesordener billigere.

Indtil nu, vi har fundet anvendelser til vores kaliumteknologi i en række større applikationer, især inden for sundhedspleje og energi. Da jeg forlod Caltech i 2016, vi havde et stort antal patenter udstedt og verserende for denne kemi, og vi arbejder på mange flere nu.

Jeg var ivrig efter at begynde at anvende disse opdagelser til at løse globale problemer, så samme år gik jeg sammen med iværksættere Nick Slavin og Nova Spivack og grundlagde Fuzionaire for at kommercialisere denne teknologi.

Fjernelse af svovl med kalium

I 2013, lovende tidligt arbejde igangsat af min ven og kollega hos Caltech, Dr. Alexey Fedorov, inspireret os til at overveje at bruge kaliumteknologien til at fjerne svovl fra brændstof. Fire år senere, Alexey og jeg, sammen med et internationalt team af akademiske og industrielle samarbejdspartnere, udgivet et papir, der beskriver vores fund.

Metoden viste sig meget effektiv. I laboratoriet, vi kunne reducere svovlkoncentrationen i en svovlrig dieselprøve fra 10, 000 dele pr. Million til to, at overskride de ambitiøse internationale svovlregler for transportbrændstoffer, og gør det ved lave temperaturer og tryk.

Sidste år, to artikler af kinesiske forskere fra flere institutioner i Jiangsu, Shandong, og Beijing anvendte vores kaliumbaserede metode til at fjerne svovl fra rå kul, der blev udvundet i Xinyu- og Guxian-regionerne. Deres forsøg med anvendelse af mængder kul i reagensglas var vellykkede, og på 80 minutter fjernede de mere end 60% af svovlet.

På dette tidspunkt, vores afsvovlingsmetode er endnu ikke blevet brugt til at forfine store mængder brændstof, så de næste trin involverer implementering af ingeniørløsninger og justering af kemien til opskalering.

Ser frem til

Selvom der skal arbejdes med at forbedre afsvovlingsteknikken for at gøre den velegnet til storstilet raffinering, disse tidlige resultater er opmuntrende. Næsten alle svovldioxidemissioner i Indien stammer fra kul, får cirka 33 millioner mennesker til at bo i områder med betydelig svovldioxidforurening. I Kina, svovldioxidemissioner primært fra kulforbrænding menes at bidrage til mere end 230, 000 dødsfald hvert år med en økonomisk omkostning på over 100 milliarder dollar.

I de næste 20 år, verdens befolkning vil stige med omkring 1,7 mia. mest i byområder i udviklingsøkonomier. Dette forventes at øge energibehovet med 25% frem til 2040. Og på trods af skubbet mod elektrificering og vedvarende energi, fossile brændstoffer forventes at forblive en grundsten for økonomisk vækst i årtier, og det er afgørende, at de brænder så rent som muligt.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.