Ученые из Нидерландской организации прикладных научных исследований (TNO) предложили эффективный способ очистки углекислого газа, который планируется закачивать под землю или использовать в промышленности. Они разработали технологию, позволяющую удалять из CO₂ угарный газ (CO) с помощью так называемого химического циклирования – метода, который не только повышает чистоту углекислого газа, но и позволяет извлекать дополнительную энергию из примесей, которые обычно приходится удалять.
Главная проблема при улавливании и хранении углерода заключается в том, что CO₂ редко бывает полностью чистым. В зависимости от источника и технологии улавливания в нем могут присутствовать примеси, способные навредить трубопроводам, подземным хранилищам или катализаторам при последующем использовании газа. Особенно строгие требования предъявляются к содержанию угарного газа – его концентрация не должна превышать примерно 100–300 ppm (частиц на миллион). Существующие методы очистки либо требуют значительных энергозатрат, либо сложного оборудования, либо сами могут вносить дополнительные загрязнители в газовый поток.
Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили использовать технологию химического циклирования. Этот процесс проходит в два этапа и использует частицы оксида металла – так называемый переносчик кислорода.
На первом этапе поток CO₂ с примесью CO пропускают через слой оксида металла. Оксид отдает кислород молекулам CO, в результате чего угарный газ окисляется и превращается в CO₂. Сам оксид металла при этом частично восстанавливается. На втором этапе его снова окисляют воздухом, возвращая в исходное состояние и подготавливая к новому циклу работы. Таким образом, система действует как своеобразный химический фильтр, очищающий газ без внесения посторонних веществ.
Сначала исследователи провели термодинамический анализ, чтобы выбрать наиболее подходящие материалы. Они рассмотрели оксиды никеля, меди, марганца и железа в относительно мягких условиях – при температурах ниже 700 °C и низкой концентрации CO. Наиболее перспективными оказались соединения меди и железа, тогда как никель и марганец продемонстрировали менее устойчивые результаты. При этом обе стадии процесса для выбранных материалов оказались экзотермическими, то есть сопровождаются выделением тепла. Это открывает возможность использовать высвобождающуюся энергию, например для производства пара или электроэнергии.
Особое внимание в экспериментах ученые уделили железу – оно доступно, нетоксично и сравнительно дешево. Они испытали несколько типов материалов на основе оксида железа с добавлением оксида алюминия в качестве носителя. Лучшие результаты продемонстрировал образец, полученный методом пропитки: он выдержал около 200 циклов при температурах от 400 до 550 °C, стабильно окисляя угарный газ до CO₂. Эксперименты также показали, что технология эффективно работает даже при низких концентрациях CO – около 2000–4000 ppm, что соответствует условиям реальных промышленных потоков.
Исследователи также обнаружили, что повышение температуры до примерно 450 °C заметно увеличивает время полной конверсии угарного газа, однако дальнейший нагрев дает все меньший дополнительный эффект. Поэтому оптимальный температурный режим будет зависеть от конкретной технологической схемы и возможностей утилизации выделяющегося тепла.
Хотя железосодержащие материалы показали хорошие результаты, ученые предполагают, что могут существовать соединения с более высокой скоростью реакции или большей долговечностью. В дальнейшем исследователи планируют испытать другие материалы и провести технико-экономический анализ технологии. Это позволит оценить, насколько такой способ очистки может оказаться выгоднее существующих методов – например криогенного разделения или каталитического окисления.
