17 сен 2023 3 359

Производство водорода из пластиковых отходов может стать выгодным

Водород рассматривается как многообещающая альтернатива ископаемому топливу, однако методы его производства либо генерируют слишком много углекислого газа, либо слишком дороги. Исследователи из Университета Райса нашли выгодный способ получать водород из пластиковых отходов, минимизируя уровень выбросов.

В этой работе мы превратили пластиковые отходы, в том числе смешанные, которые не нужно сортировать по типу или мыть, в высокопроизводительный газообразный водород и дорогой графен. Если графен будет продаваться всего за 5% от текущей рыночной стоимости — чистый водород уже получится бесплатно.

— Кевин Висс, докторант и ведущий специалист Университета Райса.

Какие методы по производству водорода используются сегодня?

Для сравнения, «зеленый» водород, производимый с использованием возобновляемых источников энергии для разделения воды на два составных элемента, стоит примерно 5 долларов за два фунта. Хотя он дешевле, почти 100 миллионов тонн водорода, использованного в мире в 2022 году, было получено из ископаемого топлива, и производство его приводило к выделению примерно 12 тонн углекислого газа на тонну водорода.

Основная форма водорода, используемая сегодня — это «серый» водород, который производится посредством паровой конверсии метана, в результате чего образуется много углекислого газа. Потребность в водороде в ближайшие десятилетия, скорее всего, вырастет взрывными темпами, поэтому, если мы серьезно настроены достичь чистого нулевого выброса к 2050 году, мы не можем продолжать его производить тем же способом, которым мы пользовались до сих пор.

— Джеймс Тур, профессор химии и материаловедения в Университете Райса.

Решение, предложенное учёными

Исследователи подвергли образцы пластиковых отходов быстрому джоулевому нагреву в течение примерно четырех секунд, в результате чего их температура достигла 3100 градусов Кельвина. В ходе этого процесса водород, присутствующий в пластике, испаряется, оставляя после себя графен — чрезвычайно легкий и прочный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода.

Когда мы впервые обнаружили мгновенное нагревание и применили его для переработки пластиковых отходов в графен, мы заметили, что из реактора выделяется много летучих газов. Мы задавались вопросом, что это за газы, предполагая, что это смесь малых углеводородов и водорода, но нам не хватало приборов для изучения их точного состава.

— Кевин Висс

Используя финансирование Инженерного корпуса армии США, лаборатория Джеймса Тура приобрела необходимое оборудование для определения характеристик испаренного содержимого.

Например, нам известно, что полиэтилен на 86% состоит из углерода и на 14% из водорода, и мы продемонстрировали, что можем восстановить до 68% этого атомарного водорода в виде газа с чистотой 94%. Разработка методов для характеристики и количественного определения всех газов, включая водород, получаемых этим методом, была для меня трудным, но полезным процессом.

Я рад, что методы, которые я изучил и использовал в этой работе, в частности, оценка жизненного цикла и газовая хроматография, могут быть применены к другим проектам нашей группы. Я надеюсь, что эта работа позволит производить чистый водород из пластиковых отходов, возможно, решив серьезные экологические проблемы, такие как загрязнение пластиком и интенсивное производство водорода путем паровой конверсии метана.

— Джеймс Тур