Un'immagine al microscopio elettronico a scansione, sinistra, e un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione mostrano un attivato, campione di carbonio poroso contenente zolfo. Il materiale creato alla Rice University può essere messo a punto per bilanciare il sequestro dell'anidride carbonica e la selettività del metano. Credito:Barron Research Group/Rice University
I produttori di gas naturale vogliono estrarre tutto il metano che possono da un pozzo sequestrando più anidride carbonica possibile, e potrebbe utilizzare filtri che ottimizzano la cattura del carbonio o il flusso di metano. Nessun singolo filtro farà entrambe le cose, ma grazie agli scienziati della Rice University, ora sanno come mettere a punto i sorbenti per le loro esigenze.
I sottili aggiustamenti nella produzione di un assorbente di carbonio a base di polimeri lo rendono il materiale più noto sia per catturare il gas serra o bilanciare la cattura del carbonio con la selettività del metano, secondo il chimico della Rice Andrew Barron.
Le specifiche sono in un articolo di questo mese del ricercatore Barron and Rice Saunab Ghosh sulla rivista della Royal Society of Chemistry Energia e combustibili sostenibili .
"La sfida è catturare quanto più carbonio possibile consentendo al metano di fluire attraverso le tipiche pressioni della testa del pozzo, "Ha detto Barron. "Abbiamo definito i parametri in una mappa che offre all'industria la migliore serie di opzioni fino ad oggi".
Il lavoro precedente del laboratorio ha determinato che i filtri a carbone hanno massimizzato la loro capacità di cattura con una superficie di 2, 800 metri quadrati per grammo e un volume dei pori di 1,35 centimetri cubi per grammo. Hanno anche scoperto che il miglior materiale per la cattura del carbonio non raggiungeva il miglior compromesso tra selettività del carbonio e del metano. Con il nuovo lavoro, sanno come accordare il materiale per l'uno o per l'altro, disse Barrone.
"L'approccio tradizionale è stato quello di creare materiali con un volume dei pori sempre crescente e di collegarlo a un adsorbente migliore; tuttavia, sembra un po' più sottile, " Egli ha detto.
Il grafico a sinistra mostra la dipendenza dell'assorbimento di anidride carbonica a varie pressioni dal potassio, ossigeno e idrogeno (KOH)-to-polimero (politiofene, o Pth) rapporto in peso per i sorbenti attivati a 700 gradi Celsius dai ricercatori della Rice University. A destra, il grafico determina l'assorbimento bilanciando il volume totale dei pori e il rapporto KOH-Pth. I ricercatori hanno scoperto che i pori più piccoli trattengono più anidride carbonica mentre i pori più grandi bilanciano l'assorbimento e la selettività del metano. Credito:Saunab Ghosh/Rice University
Il laboratorio ha realizzato i suoi ultimi filtri riscaldando un precursore polimerico e quindi trattandolo con un reagente di attivazione chimica del potassio, ossigeno e idrogeno, alias KOH. Quando il polimero viene cotto con KOH a temperature superiori a 500 gradi Celsius (932 gradi Fahrenheit), diventa un filtro altamente poroso, pieno di canali su scala nanometrica che possono intrappolare il carbonio.
Il rapporto tra KOH e polimero durante la lavorazione è risultato essere il fattore critico nel determinare le caratteristiche del filtro finale. Realizzare filtri con un rapporto 3 a 1 tra KOH e polimero gli ha dato un'area superficiale di 2, 700 metri quadrati per grammo e massimo assorbimento di anidride carbonica a pressioni da 5 a 30 bar. (Un bar è leggermente inferiore alla pressione atmosferica media a livello del mare.)
I filtri realizzati con un rapporto 2 a 1 tra KOH e polimero avevano un'area superficiale inferiore-2, 200 metri quadrati per grammo e un volume dei pori inferiore. Ciò ha portato alla combinazione ottimale di assorbimento di anidride carbonica e selettività del metano.
Anche la dimensione dei pori era critica. I filtri con il massimo assorbimento di carbonio avevano la frazione più grande di pori inferiori a 2 nanometri. I pori più grandi erano migliori per la selettività del metano.
"Sembra che il volume totale dei pori sia meno importante della quantità relativa di pori di dimensioni specifiche, " Barron ha detto. "Il nostro obiettivo era creare una guida per i ricercatori e l'industria per progettare materiali migliori.
"Non solo questi materiali possono essere utilizzati per la separazione dell'anidride carbonica dal gas naturale, ma sono anche modelli per il sequestro dell'anidride carbonica in una risorsa naturale. Questa è la direzione futura della nostra ricerca".
