Se gli umani creassero una sala della vergogna per le emissioni, quali inquinanti nominereste?

L'anidride carbonica e il metano sarebbero probabilmente i preferiti dai fan. Ma prenditi un momento e considera il mio candidato cavallo oscuro:l'anidride solforosa. A differenza delle sue controparti a base di carbonio, l'anidride solforosa non è considerata uno dei principali gas serra e non riceve così tanta attenzione dai media. Anziché, fa il suo sporco lavoro in altri modi.

L'anidride solforosa viene emessa principalmente attraverso la combustione di combustibili fossili da centrali elettriche, industria, automobili, aerei e navi. L'anidride solforosa trova poi altre molecole atmosferiche nell'aria, si combina con loro, e forma particelle contenenti zolfo.

Queste particelle inalabili possono essere molto piccole, alcune meno di un decimo della larghezza di un capello umano, e contribuiscono alla pioggia acida, foschia e smog. Tutti questi causano complicazioni respiratorie e aggravano condizioni esistenti come l'asma. Infatti, questi particolati sono considerati l'inquinante atmosferico con il maggiore impatto sulla salute pubblica.

Sono un chimico organico che sviluppa tecnologie per risolvere sfide, problemi su larga scala come l'inquinamento da zolfo a livello molecolare.

Un problema globale

Vivendo a Los Angeles, è impossibile evitare quotidianamente l'inquinamento da particelle contenenti zolfo ed è un problema significativo di salute pubblica anche in molte altre città nordamericane. Altre parti del mondo, comprese molte città dell'India e della Cina, avere anche peggio.

Ma c'è un lato positivo nella nostra nuvola di smog. Considerando che l'anidride carbonica è un sottoprodotto necessario della combustione di combustibili fossili, l'anidride solforosa no. A differenza del carbonio, lo zolfo è in realtà un contaminante indesiderato nei combustibili. Ciò significa che se tutto lo zolfo potesse essere rimosso dai combustibili fossili prima che vengano bruciati, le emissioni di zolfo sarebbero ridotte e l'inquinamento ridotto.

Fortunatamente, la maggior parte dello zolfo viene già rimossa dai combustibili durante la raffinazione attraverso un notevole processo chimico chiamato idrodesolforazione. Lo zolfo viene estratto dal carburante sotto forma di idrogeno solforato, che viene successivamente convertito in zolfo solido, o acido solforico. Ma alcune ostinate molecole di zolfo tendono a bypassare del tutto questo processo e questi contaminanti trovano la loro strada nei nostri serbatoi di gas. Per esempio, anche il diesel a bassissimo tenore di zolfo (ULSD) contiene da 10 a 15 parti per milione di zolfo.

Il processo di idrodesolforazione si basa su un catalizzatore metallico, alte pressioni di gas idrogeno, e alte temperature - è scienza e ingegneria molto complesse. Il catalizzatore ed esperto di raffinazione Valentin Parmon ha riflettuto su quanto sia davvero sofisticato questo processo in una conferenza del 2016. Dentro, ha osservato che ci sono più paesi con le capacità tecniche per produrre armi nucleari che paesi che possono sostanzialmente raffinare i combustibili.

Con la domanda globale di petrolio che dovrebbe crescere fino al 2040 circa, scienziati e ingegneri devono trovare rapidamente un modo per ridurre ulteriormente la quantità di zolfo nei combustibili, idealmente a livelli trascurabili. Una tale svolta consentirebbe alle persone di tutto il mondo di respirare più facilmente.

Chimica accelerata

Nel 2016, Ho difeso il mio dottorato di ricerca. in chimica organica dal laboratorio Grubbs al Caltech. Durante i miei studi, io e il mio team abbiamo scoperto che una classe di molecole contenenti l'elemento potassio potrebbe agire da catalizzatore e migliorare processi chimici impegnativi. Questo tipo di comportamento è stato molto sorprendente perché i catalizzatori industriali utilizzano spesso metalli pesanti costosi, come il palladio, o altri metalli che richiedono alte temperature per essere attivi. In contrasto, il potassio è un componente dei minerali comuni. È il settimo elemento più abbondante nella crosta terrestre - 20 milioni di volte più abbondante del palladio e ordini di grandezza meno costoso.

Finora, abbiamo trovato usi per la nostra tecnologia del potassio in una serie di applicazioni importanti, soprattutto nel settore sanitario ed energetico. Quando ho lasciato il Caltech nel 2016, abbiamo avuto un gran numero di brevetti concessi e in attesa per questa chimica e stiamo lavorando su molti altri ora.

Ero ansioso di iniziare ad applicare queste scoperte per affrontare problemi globali, così nello stesso anno ho collaborato con gli imprenditori Nick Slavin e Nova Spivack e ho fondato Fuzionaire per commercializzare questa tecnologia.

Eliminare lo zolfo con il potassio

Nel 2013, promettente lavoro iniziale iniziato dal mio amico e collega al Caltech, Dott. Alexey Fedorov, ci ha ispirato a considerare l'utilizzo della tecnologia del potassio per rimuovere lo zolfo dal carburante. Quattro anni dopo, Alessio ed io, insieme a un team internazionale di collaboratori accademici e industriali, pubblicato un documento che descrive i nostri risultati.

Il metodo si è rivelato molto efficace. In laboratorio, potremmo ridurre la concentrazione di zolfo in un campione di carburante diesel ricco di zolfo da 10, 000 parti per milione a due, superando le ambiziose normative internazionali sullo zolfo per i carburanti da trasporto, e farlo a basse temperature e pressioni.

L'anno scorso, due articoli di scienziati cinesi di diverse istituzioni nel Jiangsu, Shandong, e Pechino ha applicato il nostro metodo a base di potassio per rimuovere lo zolfo dal carbone grezzo estratto nelle regioni di Xinyu e Guxian. I loro esperimenti utilizzando quantità di carbone delle dimensioni di una provetta hanno avuto successo e in 80 minuti hanno rimosso più del 60% dello zolfo.

In questa fase, il nostro metodo di desolforazione non è ancora stato utilizzato per raffinare grandi quantità di carburante, quindi i prossimi passi prevedono l'implementazione di soluzioni ingegneristiche e la messa a punto della chimica per lo scale-up.

Guardando avanti

Sebbene sia necessario lavorare per migliorare la tecnica di desolforazione per renderla adatta alla raffinazione su larga scala, questi primi risultati sono incoraggianti. Quasi tutte le emissioni di anidride solforosa in India provengono dal carbone, causando circa 33 milioni di persone a vivere in aree con un notevole inquinamento da anidride solforosa. In Cina, Si pensa che le emissioni di anidride solforosa principalmente dovute alla combustione del carbone contribuiscano a più di 230, 000 morti ogni anno con un costo economico di oltre 100 miliardi di dollari.

Nei prossimi 20 anni, la popolazione mondiale aumenterà di circa 1,7 miliardi, principalmente nelle aree urbane delle economie in via di sviluppo. Si prevede che ciò aumenterà la domanda di energia del 25% fino al 2040. E nonostante la spinta verso l'elettrificazione e le energie rinnovabili, si prevede che i combustibili fossili rimarranno un fondamento della crescita economica per decenni, ed è fondamentale che brucino nel modo più pulito possibile.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.