Un passo unico, il processo catalitico potenziato dal plasma per convertire l'anidride solforosa in zolfo puro dai flussi di gas di coda può fornire un promettente, alternativa più ecologica alle attuali termiche multistadio, processi catalitici e di assorbimento, secondo gli scienziati della Penn State.

"L'anidride solforosa può causare problemi ambientali significativi come piogge acide, e può causare l'acidificazione del mare, " ha detto Xiaoxing Wang, professore associato di ricerca presso il Penn State EMS Energy Institute. "Lo zolfo può anche contribuire al particolato fine nell'aria che respiriamo, che può essere più grave dell'anidride solforosa stessa."

Si stima che l'esposizione al particolato causi 4,2 milioni di morti premature e più di 100 milioni di anni di vita adeguati alla disabilità, che misura gli anni persi a causa di malattia, disabilità o morte, secondo il Lancet Global Burden of Diseases Study, pubblicato nel 2015.

Secondo Wang, gli attuali metodi di desolforazione possono rimuovere con successo l'anidride solforosa dai flussi di gas di coda, ma non senza inconvenienti significativi.

Tecnologie di desolforazione dei fumi, Per esempio, sono i metodi più utilizzati per catturare l'anidride solforosa, ma questi processi creano una grande quantità di rifiuti solidi sotto forma di solfato metallico che richiede lo smaltimento. Per di più, questi processi producono acque reflue che richiedono un trattamento aggiuntivo, rendendo il metodo complessivo costoso e poco rispettoso dell'ambiente.

In alternativa, l'anidride solforosa può essere ridotta a zolfo elementare solido attraverso la catalisi, una reazione chimica provocata da un catalizzatore e solitamente un agente riducente come l'idrogeno, metano, o monossido di carbonio, e poi usato come materia prima per cose come fertilizzanti. Però, temperature elevate sono normalmente necessarie nel processo catalitico tradizionale per raggiungere elevati livelli di conversione. Questo non è l'ideale perché utilizza una grande quantità di energia e c'è una perdita di attività del catalizzatore, secondo gli scienziati.

A causa di questi difetti, Wang e i suoi colleghi hanno testato una nuova tecnologia, un passo, processo catalitico assistito da plasma a bassa temperatura che elimina la necessità di alte temperature e crea molti meno rifiuti rispetto alle tecnologie FGD.

Per testare questo processo, il team ha caricato un catalizzatore di solfuro di ferro in un reattore a letto pieno. Poi hanno introdotto le miscele di gas idrogeno e anidride solforosa, che è passato attraverso il letto del catalizzatore a circa 300 gradi Fahrenheit. Hanno quindi acceso il plasma non termico e le reazioni hanno subito iniziato a verificarsi.

Una volta completato il processo, hanno analizzato i campioni per vedere quanta anidride solforosa c'era nel gas e quanto idrogeno veniva consumato. Hanno anche raccolto e analizzato lo zolfo solido, che si accumula sul fondo del reattore. Hanno pubblicato i loro risultati in Catalisi ACS e un recente numero del Giornale di catalisi.

"La temperatura che abbiamo usato, 150 gradi C (circa 300 gradi F), è superiore al punto di fusione dello zolfo per evitare la deposizione di zolfo sul catalizzatore, " Wang ha detto. "Attraverso questo processo, il catalizzatore mostra una stabilità molto eccellente. Quando viene eseguito per diverse ore, non vediamo alcuna disattivazione. L'attività e la selettività rimangono le stesse."

I ricercatori hanno anche scoperto che questo processo ha promosso drasticamente la riduzione dell'anidride solforosa a basse temperature, aumentare la conversione dal 148% al 200% e dall'87 al 120% utilizzando idrogeno e metano, rispettivamente.

Sean Knecht, professore a contratto presso la Scuola di Ingegneria del Design, Tecnologia e programmi professionali, ha detto che l'NTP funziona perché gli elettroni altamente energetici interagiscono con le molecole di gas per produrre specie reattive:radicali, ioni e molecole eccitate, consentendo varie reazioni chimiche a bassa temperatura.

"Il risultato è che gli elettroni sono in grado di avviare quelle che sembrerebbero reazioni chimiche termodinamicamente sfavorevoli attraverso la dissociazione e l'eccitazione dei reagenti a temperature molto più basse della catalisi termica, " ha detto Knecht. "Se queste reazioni possono essere intraprese a temperature molto più basse di quelle tipiche per la catalisi termica, come abbiamo mostrato, quindi l'assorbimento di potenza ai sistemi futuri è significativamente ridotto, che è un grosso problema".

Wang ha aggiunto che l'utilizzo del plasma consente loro di ottenere prestazioni ottimali utilizzando solo 10 watt di elettricità. Un altro vantaggio è che le energie rinnovabili, come l'eolico o il solare, può essere facilmente applicato a questo processo per fornire energia al plasma.

I ricercatori ora vogliono capire meglio esattamente come il plasma contribuisce al processo di catalisi e cercano di sviluppare un catalizzatore ancora più efficace per il processo.

"Una sfida attuale che stiamo lavorando per affrontare è isolare ulteriormente gli effetti del plasma rispetto agli effetti del catalizzatore e gli aspetti sinergici, " ha detto Knecht. "Stiamo esaminando alcune opzioni di spettroscopia di superficie attualmente e ad un certo punto, combinato con la modellazione computazionale. Mettere insieme questi elementi può fornire una comprensione più olistica della fisica e della chimica in gioco".

Se il processo è commercializzabile, ha il potenziale per sostituire ampiamente le attuali tecnologie FDG.

"È altamente vantaggioso per l'energia e l'ambiente, " Wang ha detto. "Il nostro processo consente di risparmiare energia, riduce gli sprechi e risparmia acqua. Questo è molto trasformativo".