Метанол является одним из наиболее широко используемых сырьевых материалов. Он используется в качестве растворителя, пестицида и в сочетании с другими химикатами при производстве пластмасс, одежды, фанеры, а также в фармацевтических препаратах и агрохимикатах.
Его также используют в качестве топлива.
Молекула метанола сосредоточена на атоме углерода и имеет формулу CH3OH. В основном его получают из природного газа и сланцевого газа, разновидности природного газа, содержащей в основном метан. Но его производство дорогое и выделяет вредные выбросы.
Группа исследователей под руководством профессора Синбо Лю из Университета Западной Вирджинии работает над технологией, которая сможет утилизировать углерод из воздуха, выбрасываемого из офисных зданий, и использовать его для более экологически безопасного метода производства метанола. В случае успеха их система также удалит вредный парниковый газ.
Министерство энергетики считает, что их работа важна. Министерство энергетики выделило проекту грант первой фазы в размере 400 000 долларов США. Награды Фазы 1 позволяют исследователям сосредоточиться на осуществимости, технических достоинствах и коммерческом потенциале своего проекта.
Большинство коммерческих зданий имеют системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха на крыше. Как и многие жилые дома. Система WVU будет подключаться к этим системам отопления, вентиляции и кондиционирования и извлекать углерод из воздуха, который системы отопления и вентиляции высасывают из зданий.
Есть у системы и еще одно преимущество. Он может использовать солнечную энергию на крыше — безуглеродный источник энергии — для извлечения водорода из водяного пара в отработанном воздухе. В этот момент система может использовать катализатор для объединения углерода, кислорода и водорода в метанол. Метанол будет в жидкой форме и готов к транспортировке.
Метанол пользуется большим спросом, поскольку у него очень много применений. По мнению профессора Лю, спрос будет только расти, особенно в качестве топлива.
«Метанол также может быть полезен на транспорте», — сказал Лю. «Теперь, когда вы обращаетесь к заправочным станциям, у вас часто есть возможность выбрать «гибкое топливо», то есть бензин, смешанный с этанолом. Что ж, вы можете сделать нечто подобное с метанолом, заменив этанол в бензиновой смеси».
Метанол в автомобильном топливе имеет некоторые преимущества и используется в качестве коммерческой присадки к бензину с 1980-х годов. Это высокооктановый компонент топлива, а это значит, что он стабилизирован, предсказуем и точно сгорает. Это также чистое горение. Он также вызывает коррозию, поэтому его используют в качестве добавки.
Некоторая элегантность этой системы заключается в ее источнике энергии. В качестве источника энергии он использует тепло системы отопления, вентиляции и кондиционирования, что делает систему недорогой и неэффективной.
«Если у вас есть система кондиционирования воздуха, расположенная на земле возле вашего здания, вы держитесь от нее подальше летом, потому что там очень жарко, верно? На самом деле они обеспечивают холодный воздух в здании, создавая больше горячего воздуха снаружи за счет отходящего тепла». Лю объяснил. «Теперь мы можем использовать это в своих интересах, потому что система, которую мы разрабатываем, нуждается в таком тепле».
Система Лю похожа на уменьшенную версию того, что используется на электростанциях. Эти системы называются системами улавливания углерода с точечным источником, и они могут быть дорогими и сложными. Они используются на электростанциях, работающих на газе и угле, которые ежедневно выделяют много углекислого газа.
Но большинство коммерческих и жилых зданий производят гораздо меньше углерода, поэтому меньшие по размеру и более энергоэффективные системы могут справиться с этой задачей. Лю сказал, что его система должна быть дешевле, проще в эксплуатации и обслуживании. Все эти вещи имеют решающее значение для широкого использования.
«Мы работаем над высокоинтегрированным и оптимизированным процессом с использованием новейших технологий прямого улавливания воздуха, электролиза и синтеза метанола, который приведет к экономически эффективному производству зеленого метанола с чистотой более 99,7%», — Лю сказал.
«Мы надеемся снизить стоимость технологии сокращения выбросов углекислого газа и предоставить углеродно-нейтральное решение для производства этого распространенного химического вещества, максимизируя использование улавливаемого углекислого газа и минимизируя воздействие на окружающую среду».
Космические миссии разрабатывают технологии, которые порождают технические инновации для повседневных вещей на Земле. Такие разнообразные вещи, как устойчивые к царапинам линзы, пена с эффектом памяти и детекторы дыма, были созданы космическими путешествиями.
Система улавливания углерода Лю может изменить ситуацию. Можно ли его использовать в космосе?
Международной космической станции приходится бережно обращаться с воздухом. Когда астронавты выдыхают внутри станции, они выделяют углекислый газ. Он улавливается губчатыми цеолитами — семейством микропористых минералов, которые действуют как молекулярные сита. Под воздействием космического вакуума цеолиты выделяют углекислый газ.
Но МКС — не лучшая линза для рассмотрения этой проблемы. Он регулярно пополняется с Земли, и эта тесная связь позволила НАСА и их партнерам со временем усовершенствовать свои цеолитовые системы.
Но во время миссий на Луну, Марс или даже дальше этот выброшенный углерод может оказаться растраченным ресурсом. В среднем человек выдыхает чуть более 1 кг (около 2,3 фунта) CO2 каждый день, в зависимости от уровня активности. Около одной трети этого количества составляет углерод, а это означает, что экипаж из семи астронавтов на МКС выдыхает около 2,3 фунта углерода каждый день.
Длительные космические полеты или лунные или марсианские колонии потребуют систем с замкнутым контуром, подобных системе Лю. Углерод придется использовать, а не выбрасывать. Распространите расчет выбросов углерода на более крупную команду, и это начнет выглядеть выгодно. Весь этот углерод мог бы создать полезное количество топлива. Если Лю также сможет разработать систему объединения углерода с кислородом и водородом в метанол, то у станции или колонии появится источник энергоемкого топлива.
Системы с замкнутым контуром станут неотъемлемой частью будущих космических путешествий или длительных посещений Луны или Марса. ЕКА создало и протестировало свою усовершенствованную систему с замкнутым контуром (ACLS) на модуле «Дестини» МКС. ACLS улавливает углекислый газ из выдыхаемого воздуха, а затем обрабатывает его внутри реактора для создания метана и воды. ACLS выбрасывает метан в космос, поскольку на МКС он не нужен. За время работы она переработала половину углекислого газа станции. Поскольку часть кислорода экипажа поступает из воды, расщепленной электролизом на кислород и водород, в процессе ее работы вырабатывается около половины воды, необходимой на МКС для получения кислорода.
С определенной точки зрения Земля представляет собой замкнутую систему, за исключением поступления энергии Солнца. Там только определенное количество углерода и других химикатов. Когда слишком много углерода накапливается на неправильной стороне атмосферного уравнения, это влияет на обитаемость. НАСА заявляет, что в течение следующих нескольких десятилетий некоторые части Земли, особенно вокруг Персидского залива и Красного моря, могут стать слишком жаркими для жизни людей.
Возможно, система, над которой работают Лю и его коллеги, поможет сбалансировать уравнение.
