Yeni elektrolizör, plastik atık gazını daha az enerji kullanarak etilene dönüştürüyor

Yeni elektrolizör, plastik atık gazını daha az enerji kullanarak etilene dönüştürüyor

Northwestern Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, plastik atık gazından karbonmonoksiti, dünyanın en yaygın kullanılan kimyasal yapı taşlarından biri olan etilene dönüştüren, geleneksel termal yöntemlere göre çok daha az enerji tüketen katı hal elektrolizörü geliştirdiler.

Cihaz, CO indirgeme işlemini hidrojen oksidasyonuyla birleştiriyor ve yenilenebilir elektrikle çalışıyor; bu da plastik, antifriz ve tekstil ürünlerinin ürettiği atıklardan hammadde üretmenin potansiyel bir yolunu sunuyor. Bu gelişmeyi farklı kılan sadece kimya değil, aynı zamanda ortaya koyduğu mühendislik ödünleşmeleridir: Elektrokimyasal bir yol, halihazırda sentez gazını büyük ölçekte olefinlere dönüştüren yerleşik, ısı yoğun endüstriyel süreçlerle rekabet edebilir mi?

Northwestern'ın mühendislik okulundan yapılan ayrıntılı bir açıklamaya göre, prototip, karşılaştırılabilir sistemlerden daha düşük voltajlarda çalışıyor ve geri dönüşüm veya kimya tesislerindeki mevcut atık gaz işleme altyapısına bağlanacak şekilde tasarlanmıştır.

Ted Sargent liderliğindeki araştırma ekibi, çalışmayı, fazla plastik türevli gazları yakılıp israf edilmek yerine hammadde olarak kullanarak “çöpü hazineye dönüştürmenin” bir yolu olarak tanımlıyor.

Üniversitenin McCormick Okulu tarafından bildirildiği üzere, grup cihazı laboratuvar elektrokimyası ile endüstriyel ölçekli plastik döngüselliği arasında bir köprü olarak görüyor, ancak günümüzün devasa krakerleri ve sentez gazı reaktörleriyle rekabet edebilmesi için önemli mühendislik engellerinin hala mevcut olduğunu kabul ediyorlar.

Tuz ve Bakır Fosil Isıyı Nasıl Değiştiriyor?

Temel yenilik, tamamen gazla beslenen, saf suyla beslenen katı hal elektrolizörünün içindeki bir bakır katalizör üzerine yerleştirilmiş sodyum poliakrilat katyon fonksiyonlu bir katmandır. Tuz, bakır katalizörünün CO moleküllerini diğer karbon ürünleri yerine etilene doğru seçici olarak yönlendirmesi için ihtiyaç duyduğu pozitif iyonları sağlar.

Cihaz, katotta CO indirgenmesini anotta H2 oksidasyonuyla birleştirdiği için, plastik türevli sentez gazında zaten mevcut olan hidrojeni yakıt kaynağı olarak geri dönüştürüyor ve sistemin ihtiyaç duyduğu net elektrik enerjisini azaltıyor. Tam teknik açıklama, atık gaz hammaddeleriyle ilgili çalışma koşulları altında elektrolizörün temel performans ölçütlerini bildiren Nature Energy dergisinde yer almaktadır.

Bu mimari, geleneksel etilen üretimindeki en büyük maliyet engellerinden birini, yani buhar krakerini ortadan kaldırıyor. Geleneksel tesisler, moleküler bağları kırmak için hidrokarbonları 800 santigrat derecenin üzerinde ısıtarak, bu süreçte muazzam miktarda doğal gaz tüketir. Buna karşılık, Northwestern cihazı oda sıcaklığında veya oda sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta çalışır ve yenilenebilir kaynaklardan güç alır.

Bu değişim önemlidir çünkü en azından prensipte etilen üretimini fosil yakıt yakımından ayırır. Tek bir laboratuvar gösteriminin cevaplayamayacağı pratik soru ise, cihazın verimliliğinin ve dayanıklılığının, yılda yüz binlerce varil hammadde işleyen bir krakerin çıktısıyla eşleşip eşleşemeyeceğidir.

Plastik Atıkların Sentez Gazı Hammaddesi Olarak Kullanımı

Herhangi bir elektrolizörün işini yapabilmesi için, plastik atıkların öncelikle CO ve H2 karışımı olan sentez gazına ayrıştırılması gerekir. Science of the Total Environment'da yayınlanan hakemli bir inceleme, bu adım için mevcut termokimyasal yolları, piroliz, gazlaştırma ve piroliz yağlarının çatlatılması da dahil olmak üzere, kataloglamaktadır.

İnceleme, reaktöre beslenen plastik türüne ve seçilen özel işlem konfigürasyonuna bağlı olarak etilen veriminin ve gerekli çalışma koşullarının nasıl değiştiğini belgelemektedir. Örneğin, polietilen ve polipropilen, termal ayrışma altında PET veya polistirenden farklı davranarak, değişen CO-H2 oranlarına sahip sentez gazı üretir.

Bu değişkenlik, herhangi bir aşağı akış elektrolizörü için gerçek bir engeldir. Dar bir CO konsantrasyonu için optimize edilmiş bir cihaz, kamyon yüküne göre plastik bileşiminin değiştiği karışık bir belediye atık akışıyla beslendiğinde düşük performans gösterebilir. Northwestern ekibinin katyonla işlevselleştirilmiş bir katman seçimi, kısmen bu soruna bir cevaptır, çünkü bu, çeşitli besleme koşullarında seçiciliği korumaya yardımcı olur.

Yine de, elektrolizörün gerçek dünyadaki atık kaynaklı sentez gazının tüm spektrumunu nasıl ele aldığını doğrulayan henüz yayınlanmış pilot veriler bulunmamaktadır. Teknolojinin çoğu, değişken beslemelerle yapılan spesifik elektrolizör test sonuçlarından ziyade genelleştirilmiş piroliz verimlerine dayanmaktadır; bu, gelecekteki ölçeklendirme çalışmalarının kapatması gereken bir boşluktur.

Önceki Elektrolizörlerden Dayanıklılık Kriterleri

Yeni cihazın dikkat çekmesinin bir nedeni, benzer kimyayı hedefleyen önceki elektrolizörlerin zaten endüstriyel sınıf dayanıklılık göstermiş olmasıdır. Nature Energy'de yayınlanan önceki bir çalışmada, 10 A'da 1000 saatten fazla stabil çalışan ve etilene yaklaşık %50 Faradaik verimlilik sağlayan, saf suyla beslenen bir CO2-etilen sistemi rapor edilmişti.

Bu rakamlar bir ölçüt oluşturuyor: Eğer CO ile beslenen bir cihaz, saflaştırılmış CO2 yerine daha ucuz, atık kaynaklı hammadde kullanırken bu verimliliğe ulaşabilir veya onu aşabilirse, ekonomik açıdan önemli ölçüde lehine döner.

Ancak %50 Faradaik verimlilik rakamı incelenmeyi hak ediyor. Bu, hücreden geçen elektrik yükünün yaklaşık yarısının istenen etilen ürününü ürettiği, diğer yarısının ise etanol, propanol veya reaksiyona girmemiş CO gibi yan ürünler ürettiği anlamına gelir.

Ticari bir ortamda, kaybedilen her yüzde puanı, boşa harcanan elektriğe ve aşağı akışta ek ayırma maliyetlerine dönüşür. Yeni sentez gazı ile beslenen elektrolizörün, yatırımcılar ve kimya şirketleri tarafından termal krakinge güvenilir bir alternatif olarak değerlendirilmeden önce, sürekli çalışma boyunca karşılaştırılabilir veya daha iyi seçicilik rakamları göstermesi gerekecektir.

Termokatalitik Yöntemler Hala Çıtayı Yükseltiyor

Elektrokimyasal etilen üretimi boşlukta gerçekleşmiyor. Sentez gazının olefinlere termokatalitik dönüşümü, endüstriyel alanda baskın ölçüt olmaya devam ediyor ve son gelişmeler performansını daha da yükseltti.

Nature Communications'da yayınlanan bir araştırma, endüstriyle ilgili koşullar altında yüksek karbon verimliliği sağlayan doğrudan sentez gazından olefinlere dönüşüm sürecinin pilot ölçekli testlerini belgeliyor. Bu termal sistemler tipik olarak 300 santigrat derece veya daha yüksek sıcaklıklarda çalışır ve önemli miktarda enerji girdisi gerektirir, ancak dünya çapındaki petrokimya komplekslerinde on yıllarca süren optimizasyon ve mevcut altyapıdan faydalanırlar.

İki yaklaşım arasındaki gerilim sadece ton başına etilen enerji tüketimiyle ilgili değil. Aynı zamanda sermaye maliyetleri, katalizör ömrü ve mevcut tedarik zincirleriyle entegrasyonu da içeriyor. ABD Enerji Bakanlığı'nın elektroliz teknolojisi değerlendirmesi, elektrolizör maliyetlerini düşürme ve verimliliği artırma yollarını vurgulayarak, üretim ölçeğinin genişletilmesi ve daha ucuz hidrojen üretiminin kilit kaldıraçlar olduğunu belirtiyor. NETL'den yapılan ayrı bir analiz, temel adımın termokatalitik veya elektrokimyasal olmasına bakılmaksızın, proses entegrasyonunun ve ısı geri kazanımının, sentez gazı dönüşümünün genel karbon ayak izini ve maliyetini nasıl önemli ölçüde etkileyebileceğinin altını çizmektedir.

Büyük Ölçekte Rekabet Etmek İçin Gerekenler

Northwestern elektrolizörünün umut vadeden bir prototipten endüstriyel bir iş makinesine dönüşmesi için birkaç kilometre taşına ulaşılması gerekmektedir. İlk olarak, cihazın, atık kaynaklı sentez gazıyla ilişkili daha zorlu koşullar altında, önceki CO2-etilen sistemlerine eşdeğer veya onlardan daha iyi uzun vadeli kararlılık göstermesi gerekecektir.

Bu, katalizörleri zehirleyebilecek veya membranları kirletebilecek kükürt bileşikleri, klor içeren türler ve katranlar gibi safsızlıklara dayanmak anlamına gelir. Katı hal mimarisi ve saf su beslemesi, zamanla bozulabilen sıvı elektrolitlerden kaçınarak yardımcı olur, ancak gerçekçi gaz bileşimleri altında dayanıklılık testleri açık literatürde büyük ölçüde bildirilmemiştir.

İkincisi, tüm sermaye ve işletme maliyetleri dikkate alındığında ekonomik olarak karlı olması gerekir. Elektrokimyasal sistemler prensipte modüler olabilir ve atık gaz kaynaklarının yakınına yerleştirilebilirken, ölçek ve entegrasyondan faydalanan, tamamen amorti edilmiş buhar krakerleri ve sentez gazı reaktörleriyle rekabet etmek zorundadırlar.

Yeni cihaz için bildirilen daha düşük hücre voltajları ve hidrojen geri dönüşümü doğrudan elektrik tüketimini azaltırken, yığın üretimi, tesisin geri kalan donanımı ve aşağı akış ayırma ekipmanı da maliyeti artırmaktadır. Plastik atıkların çöplüklerden uzaklaştırılmasının ve fosil yakıt talebinin azaltılmasının bu maliyetleri karşılayıp karşılamayacağı, politika teşviklerine, karbon fiyatlandırmasına ve yerel enerji piyasalarına bağlı olacaktır.

Son olarak, daha geniş sistem bağlamı benimsemeyi şekillendirecektir. Belediyeler ve kimya firmaları, halihazırda nispeten temiz sentez gazı üreten gelişmiş geri dönüşüm tesislerine büyük yatırımlar yaparsa, etilen odaklı bir elektrolizör birçok modül arasında yer alabilir. Bunun yerine, politika ve piyasa güçleri mekanik geri dönüşümü veya atıktan enerji elde etme yakmayı desteklerse, bu teknolojinin dayandığı hammadde akışları asla büyük ölçekte gerçekleşmeyebilir.

Bu anlamda, Northwestern cihazı, elektrokimyaya olduğu kadar gelecekteki atık yönetimi altyapısına da bir bahis niteliğindedir. Başarısı veya başarısızlığı, plastik çöpleri alevler yerine elektronlar yoluyla yeni etilene dönüştürmenin plastik değer zincirini anlamlı bir şekilde yeniden şekillendirip şekillendiremeyeceğini açıklığa kavuşturmaya yardımcı olacaktır.

Kaynak: MO