Цементні заводи, подібні до показаного тут, є основним джерелом вуглекислого газу, що потеплює клімат. Але деякі з цих забруднювачів можна перетворити на новий вид палива. Цю сіль можна безпечно зберігати десятиліттями або довше.
Це ще одна історія із серії, присвяченої новим технологіям та діям, які можуть уповільнити зміну клімату, зменшити її наслідки або допомогти громадам впоратися зі світом, що швидко змінюється.
Діяльність, яка призводить до виділення вуглекислого газу (CO2), поширеного парникового газу, сприяє потеплінню атмосфери Землі. Ідея вилучення CO2 з повітря та його зберігання не нова. Але це важко здійснити, особливо коли люди можуть собі це дозволити. Нова система вирішує проблему забруднення CO2 дещо іншим способом. Вона хімічно перетворює газ, що нагріває клімат, на паливо.
15 листопада дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) у Кембриджі опублікували свої новаторські результати в журналі Cell Reports Physical Science.
Їхня нова система поділена на дві частини. Перша частина передбачає перетворення вуглекислого газу з повітря на молекулу під назвою форміат для виробництва палива. Як і вуглекислий газ, форміат містить один атом вуглецю та два атоми кисню, а також один атом водню. Форміат також містить кілька інших елементів. У новому дослідженні використовувалася сіль форміату, яка походить від натрію або калію.
Більшість паливних елементів працюють на водні, легкозаймистому газі, для транспортування якого потрібні трубопроводи та резервуари під тиском. Однак паливні елементи також можуть працювати на форміаті. Форміат має енергетичну цінність, порівнянну з воднем, за словами Лі Цзюй, вченого-матеріалознавця, який керував розробкою нової системи. Форміат має деякі переваги перед воднем, зазначив Лі Цзюй. Він безпечніший і не потребує зберігання під високим тиском.
Дослідники з Массачусетського технологічного інституту створили паливний елемент для тестування форміату, який вони виробляють з вуглекислого газу. Спочатку вони змішали сіль з водою. Потім суміш подавали в паливний елемент. Усередині паливного елемента форміат вивільняв електрони в результаті хімічної реакції. Ці електрони перетікали від негативного електрода паливного елемента до позитивного електрода, замикаючи електричне коло. Ці електрони, що текли – електричний струм – були присутні протягом 200 годин під час експерименту.
Чжень Чжан, науковець-матеріалознавець, який працює з Лі в Массачусетському технологічному інституті, оптимістично налаштований щодо того, що його команда зможе масштабувати нову технологію протягом десятиліття.
Дослідницька група Массачусетського технологічного інституту використала хімічний метод для перетворення вуглекислого газу на ключовий інгредієнт для виробництва палива. Спочатку вони піддали його впливу високолужного розчину. Вони обрали гідроксид натрію (NaOH), більш відомий як луг. Це запускає хімічну реакцію, в результаті якої утворюється бікарбонат натрію (NaHCO3), більш відомий як харчова сода.
Потім вони увімкнули живлення. Електричний струм запустив нову хімічну реакцію, яка розщепила кожен атом кисню в молекулі харчової соди, залишивши форміат натрію (NaCHO2). Їхня система перетворила майже весь вуглець у CO2 — понад 96 відсотків — на цю сіль.
Енергія, необхідна для видалення кисню, зберігається в хімічних зв'язках форміату. Професор Лі зазначив, що форміат може зберігати цю енергію протягом десятиліть, не втрачаючи потенційної енергії. Потім, проходячи через паливний елемент, він генерує електроенергію. Якщо електроенергія, яка використовується для виробництва форміату, надходить від сонячної, вітрової або гідроелектричної енергії, електроенергія, що виробляється паливним елементом, буде чистим джерелом енергії.
Щоб розширити масштаби нової технології, сказав Лі, «нам потрібно знайти багаті геологічні ресурси лугу». Він вивчав тип породи, який називається лужний базальт (AL-kuh-lye buh-SALT). При змішуванні з водою ці породи перетворюються на луг.
Фарзан Каземіфар — інженер з Університету штату Сан-Хосе в Каліфорнії. Його дослідження зосереджені на зберіганні вуглекислого газу в підземних сольових формаціях. Видалення вуглекислого газу з повітря завжди було складним, а отже, дорогим, каже він. Тому вигідно перетворювати CO2 на корисні продукти, такі як форміат. Вартість продукту може компенсувати витрати на виробництво.
Було проведено багато досліджень щодо уловлювання вуглекислого газу з повітря. Наприклад, команда вчених з Університету Ліхай нещодавно описала інший метод фільтрації вуглекислого газу з повітря та перетворення його на харчову соду. Інші дослідницькі групи зберігають CO2 у спеціальних породах, перетворюючи його на твердий вуглець, який потім можна переробляти на етанол – спиртове паливо. Більшість цих проектів є невеликими та ще не мали значного впливу на зниження високого рівня вуглекислого газу в повітрі.
На цьому зображенні показано будинок, який працює на вуглекислому газі. Пристрій, зображений тут, перетворює вуглекислий газ (молекули в червоних і білих бульбашках) на сіль під назвою форміат (сині, червоні, білі та чорні бульбашки). Цю сіль потім можна використовувати в паливному елементі для вироблення електроенергії.
Каземіфар сказав, що наш найкращий варіант — «спочатку скоротити викиди парникових газів». Один зі способів зробити це — замінити викопне паливо відновлюваними джерелами енергії, такими як вітер або сонце. Це частина переходу, який вчені називають «декарбонізацією». Але він додав, що зупинення зміни клімату вимагатиме багатогранного підходу. Ця нова технологія потрібна для уловлювання вуглецю в районах, які важко декарбонізувати, сказав він. Візьмемо, наприклад, сталеливарні та цементні заводи.
Команда MIT також бачить переваги в поєднанні своєї нової технології із сонячною та вітровою енергією. Традиційні батареї призначені для зберігання енергії протягом тижнів поспіль. Зберігання літнього сонячного світла взимку або довше вимагає іншого підходу. «З форміатом як паливом, — сказав Лі, — ви більше не обмежуєтесь навіть сезонним зберіганням. — Це може бути пов’язано з поколіннями».
Можливо, воно не сяє, як золото, але «я можу залишити 200 тонн… форміату своїм синам і дочкам, — сказав Лі, — як спадщину».
Лужний: прикметник, що описує хімічну речовину, яка утворює гідроксид-іони (OH-) у розчині. Ці розчини також називаються лужними (на відміну від кислотних) і мають pH вище 7.
Водоносний горизонт: гірська порода, здатна утримувати підземні резервуари води. Цей термін також застосовується до підземних басейнів.
Базальт: чорна вулканічна порода, яка зазвичай дуже щільна (якщо виверження вулкана не залишило в ній великих газових уламків).
зв'язок: (у хімії) напівпостійний зв'язок між атомами (або групами атомів) у молекулі. Він утворюється силами тяжіння між атомами, що беруть участь. Після утворення зв'язків атоми функціонують як єдине ціле. Щоб розділити складові атоми, до молекул необхідно підвести енергію у вигляді тепла або іншого випромінювання.
Вуглець: хімічний елемент, який є фізичною основою всього життя на Землі. Вуглець існує вільно у формі графіту та алмазу. Він є важливим компонентом вугілля, вапняку та нафти і здатний хімічно самоасоціюватися, утворюючи широкий спектр молекул, що мають хімічну, біологічну та комерційну цінність. (У кліматичних дослідженнях) Термін «вуглець» іноді використовується майже як взаємозамінний з вуглекислим газом для позначення потенційного впливу, який дія, продукт, політика чи процес можуть мати на довгострокове потепління атмосфери.
Вуглекислий газ (CO2): безбарвний газ без запаху, який утворюється всіма тваринами, коли кисень, яким вони дихають, реагує з їжею, багатою на вуглець. Вуглекислий газ також виділяється під час спалювання органічних речовин, включаючи викопне паливо, таке як нафта або природний газ. Вуглекислий газ – це парниковий газ, який затримує тепло в атмосфері Землі. Рослини перетворюють вуглекислий газ на кисень шляхом фотосинтезу та використовують цей процес для виробництва власної їжі.
Цемент: сполучна речовина, що використовується для скріплення двох матеріалів разом, що призводить до їх затвердіння у тверду речовину, або густий клей, що використовується для скріплення двох матеріалів разом. (Будівництво) Дрібно подрібнений матеріал, що використовується для зв'язування піску або подрібненого каменю разом для утворення бетону. Цемент зазвичай виготовляється у вигляді порошку. Але як тільки він намокає, він перетворюється на каламутну суспензію, яка твердне, коли висихає.
Хімічна речовина: речовина, що складається з двох або більше атомів, об'єднаних (зв'язаних) у фіксованій пропорції та структурі. Наприклад, вода — це хімічна речовина, що складається з двох атомів водню, зв'язаних з одним атомом кисню. Її хімічна формула — H2O. «Хімічна» також може використовуватися як прикметник для опису властивостей речовини, що виникають в результаті різних реакцій між різними сполуками.
Хімічний зв'язок: Сила тяжіння між атомами, достатньо сильна, щоб змусити зв'язані елементи функціонувати як єдине ціле. Деякі тяжіння слабкі, інші — сильні. Усі зв'язки, здається, з'єднують атоми шляхом спільного використання (або спроби спільного використання) електронів.
Хімічна реакція: процес, що включає перебудову молекул або структур речовини, а не зміну її фізичної форми (наприклад, з твердого стану в газоподібний).
Хімія: галузь науки, що вивчає склад, структуру, властивості та взаємодію речовин. Вчені використовують ці знання для вивчення незнайомих речовин, відтворення корисних речовин у великих кількостях або проектування та створення нових корисних речовин. (хімічних сполук) Хімія також стосується формули сполуки, методу її отримання або деяких її властивостей. Людей, які працюють у цій галузі, називають хіміками. (у соціальних науках) здатність людей співпрацювати, ладити та насолоджуватися товариством одне одного.
Зміна клімату: значна довгострокова зміна клімату Землі. Це може відбуватися природним шляхом або в результаті діяльності людини, включаючи спалювання викопного палива та вирубку лісів.
Декарбонізація: стосується цілеспрямованого переходу від забруднюючих технологій, діяльності та джерел енергії, що викидають в атмосферу парникові гази на основі вуглецю, такі як вуглекислий газ та метан. Мета полягає у зменшенні кількості вуглецевих газів, що сприяють зміні клімату.
Електрика: потік електричного заряду, зазвичай виникає внаслідок руху негативно заряджених частинок, які називаються електронами.
Електрон: негативно заряджена частинка, яка зазвичай обертається навколо зовнішньої області атома; вона також є носієм електрики у твердих тілах.
Інженер: Той, хто використовує науку та математику для вирішення проблем. Коли слово «інженер» використовується як дієслово, воно стосується проектування пристрою, матеріалу чи процесу для вирішення проблеми чи незадоволеної потреби.
Етанол: спирт, також званий етиловим спиртом, який є основою для алкогольних напоїв, таких як пиво, вино та міцні напої. Він також використовується як розчинник і паливо (наприклад, часто змішується з бензином).
Фільтр: (німенник) Щось, що пропускає одні матеріали, а інші — залежно від їхнього розміру чи інших характеристик. (дієслово) Процес відбору певних речовин на основі таких властивостей, як розмір, густина, заряд тощо. (у фізиці) Екран, пластина або шар речовини, що поглинає світло чи інше випромінювання або вибірково запобігає проходженню деяких її компонентів.
Форміат: загальний термін для позначення солей або ефірів мурашиної кислоти, окисленої форми жирної кислоти. (Ефір – це вуглецева сполука, що утворюється шляхом заміщення атомів водню певних кислот певними типами органічних груп. Багато жирів та ефірних олій є природними ефірами жирних кислот.)
Викопне паливо: будь-яке паливо, таке як вугілля, нафта (сира нафта) або природний газ, що утворилося протягом мільйонів років у надрах Землі з розкладаючихся залишків бактерій, рослин або тварин.
Паливо: будь-яка речовина, яка вивільняє енергію внаслідок контрольованої хімічної або ядерної реакції. Викопне паливо (вугілля, природний газ і нафта) – це поширене паливо, яке вивільняє енергію внаслідок хімічних реакцій при нагріванні (зазвичай до точки згоряння).
Паливний елемент: пристрій, який перетворює хімічну енергію на електричну. Найпоширенішим паливом є водень, єдиним побічним продуктом якого є водяна пара.
Геологія: прикметник, що описує все, що пов'язано з фізичною структурою Землі, її матеріалами, історією та процесами, що відбуваються на ній. Людей, які працюють у цій галузі, називають геологами.
Глобальне потепління: поступове підвищення загальної температури атмосфери Землі внаслідок парникового ефекту. Ефект спричинений збільшенням рівня вуглекислого газу, хлорфторвуглеців та інших газів у повітрі, багато з яких викидаються внаслідок діяльності людини.
Водень: Найлегший елемент у Всесвіті. Як газ, він безбарвний, без запаху та надзвичайно легкозаймистий. Він є компонентом багатьох видів палива, жирів та хімічних речовин, що утворюють живі тканини. Він складається з протона (ядра) та електрона, що обертається навколо нього.
Інновація: (дієслово, впроваджувати інновації; прил., впроваджувати інновації) Коригування або вдосконалення існуючої ідеї, процесу чи продукту, щоб зробити його новішим, розумнішим, ефективнішим або кориснішим.
Луг: Загальна назва розчину гідроксиду натрію (NaOH). Луг часто змішують з рослинними оліями або тваринними жирами та іншими інгредієнтами для виготовлення брускового мила.
Матеріалознавець: дослідник, який вивчає взаємозв'язок між атомною та молекулярною структурою матеріалу та його загальними властивостями. Матеріалознавці можуть розробляти нові матеріали або аналізувати існуючі. Аналіз загальних властивостей матеріалу, таких як щільність, міцність та температура плавлення, може допомогти інженерам та іншим дослідникам вибрати найкращі матеріали для нових застосувань.
Молекула: група електрично нейтральних атомів, що представляє найменшу можливу кількість хімічної сполуки. Молекули можуть складатися з одного типу атомів або різних типів атомів. Наприклад, кисень у повітрі складається з двох атомів кисню (O2), а вода складається з двох атомів водню та одного атома кисню (H2O).
Забруднювач: речовина, яка забруднює щось, наприклад, повітря, воду, людей або їжу. Деякі забруднювачі – це хімічні речовини, такі як пестициди. Іншими забруднювачами може бути радіація, включаючи надмірне тепло або світло. Навіть бур'яни та інші інвазивні види можна вважати формою біообрастання.
Сильний: прикметник, що позначає щось дуже сильне або потужне (наприклад, мікроб, отрута, ліки або кислота).
Відновлюваний: прикметник, що стосується ресурсу, який можна замінювати нескінченно довго (наприклад, вода, зелені рослини, сонячне світло та вітер). Це контрастує з невідновлюваними ресурсами, запаси яких обмежені та можуть бути фактично вичерпані. До невідновлюваних ресурсів належать нафта (та інші викопні види палива) або відносно рідкісні елементи та мінерали.