Обычные глиняные материалы могут помочь ограничить выбросы метана

Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала многообещающий подход к контролю выбросов метана и его удалению из воздуха с использованием недорогого и широко распространенного типа глины, называемого цеолитом. Выводы описаны в журнале ACS Environment Au, в статье докторанта Ребекки Бреннейс, доцента Дезире Плата и двух других.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала многообещающий подход к контролю выбросов метана и его удалению из воздуха с использованием недорогого и широко распространенного типа глины, называемого цеолитом. На этом изображении цеолит, изображенный в виде сложной структуры посередине, поглощает проходящий через него метан. Кредит: Дариус Сивек

Хотя многие люди связывают атмосферный метан с бурением и гидроразрывом пласта для добычи нефти и природного газа, на эти источники приходится лишь около 18 процентов глобальных выбросов метана, говорит Плата. Подавляющее большинство выбросов метана происходит из таких источников, как подсечно-огневое земледелие, молочное животноводство, добыча угля и руды, водно-болотные угодья и таяние вечной мерзлоты. «Большая часть метана, попадающего в атмосферу, поступает из распределенных и диффузных источников, поэтому мы начали думать о том, как можно вывести его из атмосферы», — говорит она.

Ответ, который нашли исследователи, заключался в чем-то очень дешевом — на самом деле, в особом виде «грязи» или глины. Они использовали цеолитовые глины, настолько недорогой материал, что в настоящее время его используют для изготовления кошачьих туалетов. Команда обнаружила, что обработка цеолита небольшим количеством меди делает материал очень эффективным при поглощении метана из воздуха даже при чрезвычайно низких концентрациях.

Концепция системы проста, хотя предстоит еще много работы над инженерными деталями. В ходе лабораторных испытаний крошечные частицы цеолитового материала, обогащенного медью, похожего на наполнитель для кошачьих туалетов, помещали в реакционную трубку, которую затем нагревали снаружи в виде потока газа с уровнем содержания метана в диапазоне всего от двух частей на миллион. до 2-процентной концентрации, протекающей через трубку. Этот диапазон охватывает все, что может существовать в атмосфере, вплоть до субгорючих уровней, которые нельзя сжигать или сжигать напрямую.

По словам Платы, этот процесс имеет ряд преимуществ по сравнению с другими подходами к удалению метана из воздуха. Другие методы, как правило, используют дорогие катализаторы, такие как платина или палладий, требуют высоких температур не менее 600 градусов по Цельсию и, как правило, требуют сложного циклирования между потоками с высоким содержанием метана и с высоким содержанием кислорода, что делает устройства более сложными и более рискованными, поскольку метан и кислород легко воспламеняются сами по себе и в сочетании.

«600 градусов, при которых работают эти реакторы, делают почти опасным находиться рядом с метаном», а также с чистым кислородом, — говорит Бреннейс. «Они решают проблему, просто создавая ситуацию, при которой будет взрыв». Другие инженерные сложности также возникают из-за высоких рабочих температур. Неудивительно, что такие системы не нашли широкого применения.

Что касается нового процесса, «я думаю, мы все еще удивлены тем, насколько хорошо он работает», — говорит Плата, адъюнкт-профессор Гилберта Уинслоу в области гражданского строительства и экологического проектирования. Этот процесс, по-видимому, имеет максимальную эффективность при температуре около 300 градусов по Цельсию, что требует гораздо меньше энергии для нагрева, чем другие процессы улавливания метана. Он также может работать при концентрациях метана ниже, чем другие методы, даже при небольших долях 1 процента, которые не могут быть удалены большинством методов, и делает это в воздухе, а не в чистом кислороде, что является большим преимуществом для реального применения.

Метод превращает метан в углекислый газ. Это может показаться плохим, учитывая усилия всего мира по борьбе с выбросами углекислого газа. «Многие люди слышат «углекислый газ» и впадают в панику; они говорят «это плохо», — говорит Плата. Но она отмечает, что углекислый газ оказывает гораздо меньшее воздействие на атмосферу, чем метан, который примерно в 80 раз сильнее в качестве парникового газа в течение первых 20 лет и примерно в 25 раз сильнее в течение первого столетия. Этот эффект возникает из-за того, что метан со временем в атмосфере естественным образом превращается в углекислый газ. По ее словам, ускорив этот процесс, этот метод резко уменьшит краткосрочное воздействие на климат. И даже преобразование половины атмосферного метана в углекислый газ увеличило бы уровень последнего менее чем на 1 часть на миллион (около 0,2 процента сегодняшнего атмосферного углекислого газа), сэкономив при этом около 16 процентов общего радиационного потепления.

Команда пришла к выводу, что идеальным местом для таких систем будут места с относительно концентрированным источником метана, такие как молочные коровники и угольные шахты. Эти источники, как правило, уже имеют мощные системы обработки воздуха, поскольку накопление метана может быть опасным для пожара, здоровья и взрыва. Чтобы преодолеть выдающиеся технические детали, команда только что получила грант в размере 2 миллионов долларов от Министерства энергетики США на продолжение разработки специального оборудования для удаления метана в таких местах.

«Ключевое преимущество добычи воздуха заключается в том, что мы перемещаем большую его часть», — говорит она. «Вы должны втягивать свежий воздух, чтобы шахтеры могли дышать, и чтобы снизить риск взрыва из карманов с обогащенным метаном. Таким образом, объемы воздуха, которые перемещаются в шахтах, огромны». По ее словам, концентрация метана слишком мала для воспламенения, но он находится в центре внимания катализаторов.

Адаптация технологии к конкретным сайтам должна быть относительно простой. Лабораторная установка, которую команда использовала в своих тестах, состояла «всего из нескольких компонентов, и технология, которую вы поместите в коровник, также может быть довольно простой», — говорит Плата. Однако большие объемы газа не так легко проходят через глину, поэтому следующий этап исследований будет сосредоточен на способах структурирования глинистого материала в многоуровневой иерархической конфигурации, которая будет способствовать потоку воздуха.

«Нам нужны новые технологии для окисления метана в концентрациях ниже тех, которые используются в факелах и термических окислителях», — говорит Роб Джексон, профессор системных наук о Земле в Стэнфордском университете, не участвовавший в этой работе. «Сегодня не существует рентабельной технологии окисления метана при концентрациях ниже примерно 2000 частей на миллион».

Джексон добавляет: «Для масштабирования этой и всей подобной работы остается много вопросов: как быстро катализатор загрязняется в полевых условиях? Можем ли мы приблизить требуемые температуры к условиям окружающей среды? Насколько масштабируемыми будут такие технологии при обработке больших объемов воздуха?»

Одним из основных потенциальных преимуществ новой системы является то, что в ходе химического процесса выделяется тепло. За счет каталитического окисления метана процесс фактически представляет собой беспламенную форму горения. Если концентрация метана выше 0,5 процента, выделяемое тепло больше, чем тепло, используемое для запуска процесса, и это тепло может быть использовано для производства электроэнергии.

Расчеты группы показывают, что «на угольных шахтах потенциально можно вырабатывать достаточно тепла для выработки электроэнергии в масштабе электростанции, что примечательно, поскольку означает, что устройство может окупить себя», — говорит Плата. «Большинство решений по захвату воздуха стоят больших денег и никогда не будут прибыльными. Наша технология может однажды стать контрпримером».

Используя новый грант, говорит она, «в течение следующих 18 месяцев мы стремимся продемонстрировать доказательство того, что это может работать в полевых условиях», где условия могут быть более сложными, чем в лаборатории. В конечном счете, они надеются, что смогут создавать устройства, которые будут совместимы с существующими системами кондиционирования воздуха и могут быть просто дополнительным компонентом, добавленным на место. «Приложение для добычи угля должно находиться на таком этапе, когда через три года вы сможете передать его коммерческому строителю или пользователю», — говорит Плата.