Ett steg, plasmaförstärkt katalytisk process för att omvandla svaveldioxid till rent svavel från avgasströmmar kan ge en lovande, mer miljövänligt alternativ till nuvarande flerstegs termik, katalytiska och absorberande processer, enligt forskare vid Penn State.

"Svaveldioxider kan orsaka betydande miljöproblem som surt regn, och det kan orsaka försurning av havet, sa Xiaoxing Wang, docent forskningsprofessor vid Penn State EMS Energy Institute. "Svavel kan också bidra till fina partiklar i luften vi andas, som kan vara allvarligare än svaveldioxiden själv."

Exponering för partiklar uppskattades orsaka 4,2 miljoner förtida dödsfall och mer än 100 miljoner funktionshinderjusterade levnadsår – vilket mäter förlorade år på grund av sjukdom, funktionshinder eller dödsfall – enligt Lancet Global Burden of Diseases Study, publicerades 2015.

Enligt Wang, nuvarande avsvavlingsmetoder kan framgångsrikt avlägsna svaveldioxid från restgasströmmar men inte utan betydande nackdelar.

Teknik för rökgasavsvavling, till exempel, är de mest använda metoderna för att fånga upp svaveldioxid, men dessa processer skapar en stor mängd fast avfall i form av metallsulfat som kräver bortskaffande. Vidare, dessa processer producerar avloppsvatten som kräver ytterligare rening, gör den övergripande metoden kostsam och miljöovänlig.

Alternativt svaveldioxid kan reduceras till fast elementärt svavel genom katalys - en kemisk reaktion som utlöses av en katalysator och vanligtvis ett reduktionsmedel som väte, metan, eller kolmonoxid – och sedan användas som råvara för sådant som gödsel. Dock, höga temperaturer behövs normalt i den traditionella katalytiska processen för att uppnå höga omvandlingsnivåer. Detta är inte idealiskt eftersom det använder mycket energi och det finns en förlust av katalysatoraktivitet, enligt forskarna.

På grund av dessa brister, Wang och hans kollegor testade en ny teknik, ett steg, plasma-assisterad katalytisk process med låg temperatur som eliminerar behovet av höga temperaturer och skapar mycket mindre avfall än FGD-tekniker.

För att testa denna process, teamet laddade en järnsulfidkatalysator i en reaktor med packad bädd. Sedan introducerade de väte- och svaveldioxidgasblandningarna, som passerade genom katalysatorbädden vid ungefär 300 grader Fahrenheit. De slog sedan på den icke-termiska plasman och reaktionerna började omedelbart inträffa.

När processen väl är klar, de analyserade proverna för att se hur mycket svaveldioxid som fanns i gasen och hur mycket väte som förbrukades. De samlade också in och analyserade det fasta svavlet, som ackumuleras i botten av reaktorn. De publicerade sina resultat i ACS-katalys och ett färskt nummer av Journal of Catalysis.

"Temperaturen vi använde, 150 grader C (cirka 300 grader F), är högre än svavelsmältpunkten för att undvika svavelavsättning över katalysatorn, " Wang sa. "Genom denna process, Katalysatorn visar mycket utmärkt stabilitet. När du kör i flera timmar, vi ser ingen avaktivering. Aktiviteten och selektiviteten förblir densamma."

Forskarna fann också att denna process dramatiskt främjade svaveldioxidreduktion vid låga temperaturer, öka omvandlingen med 148 % till 200 procent och 87 till 120 procent med väte och metan, respektive.

Sean Knecht, biträdande lärare vid Institutionen för teknisk design, Teknik och professionella program, sade att NTP fungerar eftersom högenergiska elektroner interagerar med gasmolekyler för att producera reaktiva arter - radikaler, joner och exciterade molekyler – vilket möjliggör olika kemiska reaktioner vid låg temperatur.

"Resultatet är att elektronerna kan initiera vad som verkar vara termodynamiskt ogynnsamma kemiska reaktioner genom dissociation och excitation av reaktanter vid mycket lägre temperaturer än termisk katalys, " sa Knecht. "Om dessa reaktioner kan utföras vid mycket lägre temperaturer än vad som är typiskt för termisk katalys, som vi har visat, då strömtillförseln till framtida system reduceras avsevärt, vilket är en stor sak."

Wang tillade att genom att använda plasma kan de uppnå optimal prestanda med bara 10 watt el. En annan fördel är att förnybar energi, som vind eller sol, kan enkelt appliceras på denna process för att förse plasman med ström.

Forskarna vill nu bättre förstå exakt hur plasman bidrar till katalysprocessen och försöker utveckla en ännu effektivare katalysator för processen.

"En aktuell utmaning som vi arbetar för att ta itu med är att ytterligare isolera effekterna av plasman kontra effekterna av katalysatorn och de synergistiska aspekterna, ", sa Knecht. "Vi tittar på några alternativ för ytspektroskopi för närvarande och vid någon tidpunkt, kombinera med beräkningsmodellering. Att sammanföra dessa kan ge en mer holistisk förståelse av fysik och kemi som spelar."

Om processen är kommersialiserbar, den har potential att till stor del ersätta den nuvarande FDG-tekniken.

"Det är mycket fördelaktigt för energi och miljö, " Wang sa. "Vår process sparar energi, minskar avfall och sparar vatten. Det här är väldigt transformerande."