Avbildning av ett metallorganiskt ramverk (HKUST-1) inbäddat i en polymermatris för att användas som ett membran för effektiv gasseparation. Kredit:Kutay Sezginel/Hypothetical Materials Lab
En beräkningsmodelleringsmetod som utvecklats vid University of Pittsburghs Swanson School of Engineering kan hjälpa till att påskynda identifieringen och designen av nya kolavskiljnings- och lagringsmaterial för användning av landets koleldade kraftverk. De hypotetiska blandade matrismembranen skulle ge en mer ekonomisk lösning än nuvarande metoder, med en beräknad kostnad på mindre än 50 USD per ton koldioxid (CO 2 ) tog bort.
Forskargruppen – ledd av Christopher Wilmer, biträdande professor i kemi- och petroleumsteknik, i samarbete med medutredare Jan Steckel, forskare vid U.S. Department of Energy's National Energy Technology Laboratory, och Pittsburgh-baserade AECOM – publicerade sina resultat i tidskriften Royal Society of Chemistry Energi &miljövetenskap ("High-throughput beräkningsförutsägelse av kostnaden för kolavskiljning med hjälp av blandade matrismembran").
"Polymermembran har använts i årtionden för att filtrera och rena material, men är begränsade i sin användning för kolavskiljning och lagring, " noterade Dr. Wilmer, som leder Hypotetiska materiallabbet vid Swansonskolan. "Blandade matrismembran, som är polymera membran med små, oorganiska partiklar dispergerade i materialet, visar extremt lovande på grund av deras separations- och permeabilitetsegenskaper. Dock, antalet potentiella polymerer och oorganiska partiklar är betydande, och det kan vara skrämmande att hitta den bästa kombinationen för koldioxidavskiljning. "
Enligt Dr. Wilmer, forskarna byggde på sin omfattande forskning inom metall-organiska ramverk (MOFs), som är mycket porösa kristallina material skapade via självmontering av oorganisk metall med organiska länkar. Dessa MOF, som kan lagra en större mängd gaser än traditionella tankar, är mycket mångsidiga och kan tillverkas av en mängd olika material och specialdesignade med specifika egenskaper.
Dr. Wilmer och hans grupp utforskade befintliga databaser med hypotetiska och verkliga MOF för sin forskning, vilket resulterar i mer än en miljon potentiella blandade matrismembran. De jämförde sedan den förväntade gasgenomträngningen av varje material med publicerade data, och utvärderade dem baserat på en fångstprocess i tre steg. Variabler som flödeshastighet, fånga fraktion, tryck- och temperaturförhållanden optimerades som en funktion av membranegenskaper med målet att identifiera specifika blandade matrismembran som skulle ge en överkomlig kostnad för avskiljning av koldioxid. De potentiella konsekvenserna för Wilmer-gruppens forskning är enorma. Även om kolkraftverk bara i USA för närvarande endast representerar 30 procent av landets energiportfölj, 2017 bidrog de med den största andelen av 1, 207 miljoner ton CO 2 , eller 69 procent av den totala amerikanska energirelaterade CO 2 utsläpp från hela USA:s elkraftsektor. (Källa:U.S. Energy Information Administration.)
"Vår beräkningsmodellering av både hypotetiska och verkliga MOF resulterade i en ny databas med mer än en miljon blandade matrismembran med motsvarande CO 2 fånga upp prestanda och tillhörande kostnader, " sade Dr. Wilmer. "Ytterligare teknisk-ekonomiska analyser gav 1, 153 blandade matrismembran med en kolavskiljningskostnad på mindre än $50 per ton borttaget. Således, potentialen finns för att skapa ett ekonomiskt överkomligt och effektivt sätt för CO 2 fångas vid kolkraftverk över hela världen och effektivt ta itu med en betydande källa till fossilt bränsle genererad koldioxid i atmosfären."
