Om människor skapade en utsläppshall av skam, vilka föroreningar skulle du nominera?

Koldioxid och metan skulle nog vara fanfavoriter. Men ta en stund och överväg min dark horse-kandidat:svaveldioxid. Till skillnad från sina kolbaserade motsvarigheter, svaveldioxid anses inte vara en stor växthusgas och får inte så mycket uppmärksamhet i media. Istället, den gör sitt smutsiga arbete på andra sätt.

Svaveldioxid släpps ut främst genom förbränning av fossila bränslen från kraftverk, industri, bilar, flygplan och fartyg. Svaveldioxiden hittar sedan andra atmosfäriska molekyler i luften, kombineras med dem, och bildar svavelhaltiga partiklar.

Dessa inhalerbara partiklar kan vara mycket små - några mindre än en tiondel av ett människohår - och de bidrar till surt regn, dis och rök. Alla dessa orsakar andningskomplikationer och förvärrar befintliga tillstånd som astma. Faktiskt, dessa partiklar anses vara den luftförorening som har störst påverkan på folkhälsan.

Jag är en organisk kemist som utvecklar teknik för att lösa utmanande, storskaliga problem som svavelföroreningar på molekylär nivå.

Ett globalt problem

Bor i Los Angeles, det är omöjligt att undvika svavelhaltiga partikelföroreningar på en daglig basis och det är ett betydande folkhälsoproblem i många andra nordamerikanska städer också. Andra delar av världen, inklusive många städer Indien och Kina, ha det ännu värre.

Men det finns ett guldkant på vårt smogmoln. Medan koldioxid är en nödvändig biprodukt vid förbränning av fossila bränslen, svaveldioxid är det inte. Till skillnad från kol, svavel är faktiskt en oönskad förorening i bränslen. Detta betyder att om allt svavel kunde avlägsnas från fossila bränslen innan de förbränns, svavelutsläppen skulle minska och föroreningarna dämpas.

Lyckligtvis, det mesta av svavlet avlägsnas redan från bränslen under raffinering genom en anmärkningsvärd kemisk process som kallas hydroavsvavling. Svavlet avlägsnas från bränslet i form av vätesulfid, som sedan omvandlas till fast svavel, eller svavelsyra. Men vissa envisa svavelmolekyler tenderar att kringgå denna process helt och hållet och dessa föroreningar hittar vägen in i våra bensintankar. Till exempel, även ultralågsvavlig diesel (ULSD) innehåller cirka 10 till 15 delar per miljon svavel.

Hydroavsvavlingsprocessen bygger på en metallkatalysator, högt tryck av vätgas, och höga temperaturer - det är mycket komplex vetenskap och ingenjörskonst. Katalysator och raffineringsexpert Valentin Parmon reflekterade över hur sofistikerad denna process verkligen är i en föreläsning 2016. I det, han noterade att det finns fler länder med teknisk kapacitet att producera kärnvapen än länder som avsevärt kan förädla bränslen.

Med den globala efterfrågan på olja som förväntas växa fram till omkring 2040, forskare och ingenjörer måste snabbt hitta ett sätt att ytterligare minska mängden svavel i bränslen, helst till försumbara nivåer. Ett sådant genombrott skulle ge människor över hela världen en chans att andas lättare.

Accelererande kemi

2016, Jag försvarade min doktorsexamen. i organisk kemi från Grubbs lab vid Caltech. Under mina studier, mitt team och jag upptäckte att en klass av molekyler som innehåller grundämnet kalium kunde fungera som katalysatorer och förbättra utmanande kemiska processer. Denna typ av beteende var mycket överraskande eftersom industriella katalysatorer ofta använder dyra tungmetaller, som palladium, eller andra metaller som kräver höga temperaturer för att vara aktiva. I kontrast, kalium är en komponent i vanliga mineraler. Det är det sjunde vanligaste grundämnet i jordskorpan - 20 miljoner gånger rikligare än palladium och storleksordningar billigare.

Än så länge, vi har hittat användningsområden för vår kaliumteknologi i ett antal större tillämpningar, särskilt inom sjukvård och energi. När jag lämnade Caltech 2016, vi hade ett stort antal patent beviljade och väntade på denna kemi och vi arbetar med många fler nu.

Jag var ivrig att börja tillämpa dessa upptäckter för att ta itu med globala problem, så samma år samarbetade jag med entreprenörerna Nick Slavin och Nova Spivack och grundade Fuzionaire för att kommersialisera denna teknik.

Ta bort svavel med kalium

Under 2013, lovande tidigt arbete initierat av min vän och kollega på Caltech, Dr Alexey Fedorov, inspirerade oss att överväga att använda kaliumtekniken för att ta bort svavel från bränslet. Fyra år senare, Alexey och jag, tillsammans med ett internationellt team av akademiska och industriella samarbetspartners, publicerade en artikel som beskriver våra resultat.

Metoden visade sig mycket effektiv. I laboratoriet, vi skulle kunna minska svavelkoncentrationen i ett svavelrikt dieselbränsleprov från 10, 000 delar per miljon till två, överskrider de ambitiösa internationella svavelreglerna för transportbränslen, och gör det vid låga temperaturer och tryck.

Förra året, två artiklar av kinesiska forskare från flera institutioner i Jiangsu, Shandong, och Peking tillämpade vår kaliumbaserade metod för att avlägsna svavel från råkol som bryts i Xinyu- och Guxian-regionerna. Deras experiment med användning av provrörsstora mängder kol var framgångsrika och på 80 minuter tog de bort mer än 60% av svavlet.

I detta skede, vår avsvavlingsmetod har ännu inte använts för att förädla stora mängder bränsle, så nästa steg innebär att implementera tekniska lösningar och finjustera kemin för uppskalning.

Blickar framåt

Även om arbete måste göras för att förbättra avsvavlingstekniken för att göra den lämplig för storskalig raffinering, dessa tidiga resultat är uppmuntrande. Nästan alla svaveldioxidutsläpp i Indien kommer från kol, orsakar att cirka 33 miljoner människor bor i områden med betydande svaveldioxidföroreningar. I Kina, svaveldioxidutsläpp främst från kolförbränning tros bidra till mer än 230, 000 dödsfall varje år med en ekonomisk kostnad på över 100 miljarder dollar.

Under de kommande 20 åren, jordens befolkning kommer att öka med cirka 1,7 miljarder, mestadels i stadsområden i utvecklingsekonomier. Detta förväntas öka energiefterfrågan med 25 % fram till 2040. Och trots strävan mot elektrifiering och förnybar energi, fossila bränslen förväntas förbli en grund för ekonomisk tillväxt i årtionden, och det är viktigt att de brinner så rent som möjligt.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.