由太平洋西北国家实验室的Karyn Hede拍摄
太平洋西北国家实验室开发的一种新的正在申请专利的流动细胞生物反应器可以净化废水(见此处)并产生氢气来帮助为该过程提供燃料
信用:安德里亚·斯塔尔|太平洋西北国家实验室 生物燃料研究人员的圣杯是开发一个自我维持的过程，将污水、粮食作物、藻类和其他可再生碳源的废物转化为燃料，同时将废弃碳排除在我们的大气和水中
在将这些废物转化为有用的燃料方面已经取得了很大的进展，但是使用清洁能源完成循环已经被证明是一个棘手的问题
现在，美国能源部西北太平洋国家实验室的一个研究小组已经开发了一个系统，可以做到这一点
PNNL的电催化氧化燃料回收系统同时将被认为不可回收的稀释“废”碳转化为有价值的化学物质，同时产生有用的氢气
由可再生能源提供动力使得这一过程碳中和，甚至可能是负碳的
让这一切发挥作用的关键是一种设计精美的催化剂，它结合了数十亿个极小的金属颗粒和电流，以加快室温和压力下的能量转换
胡安·阿说:“目前使用的处理生物原油的方法需要高压氢气，这通常是从天然气中产生的。”
洛佩兹-鲁伊斯，PNNL化学工程师和项目负责人
“我们的系统可以自己产生氢气，同时利用过剩的可再生电能在接近大气的条件下处理废水，使其运行成本低廉，并有可能实现碳中和
" 饥饿的系统 在实验室实验中，研究团队使用来自工业规模生物质转化过程的废水样本测试了该系统，该过程持续运行了近200小时，没有损失任何效率
唯一的限制是研究小组用完了他们的废水样本
“这是一个饥饿的系统，”洛佩兹-鲁伊斯说
“这个过程的反应速度与你试图转化的废碳量成正比
如果你有废水可以循环通过，它可以无限期地运行
" 洛佩兹-鲁伊斯说，正在申请专利的系统解决了几个问题，这些问题一直困扰着使生物质成为经济上可行的可再生能源的努力
洛佩兹-鲁伊斯说:“我们知道如何将生物质转化为燃料。”
“但我们仍在努力使该过程节能、经济且环保，尤其是对于小型分布式规模
这个系统依靠电力运行，电力可以来自可再生能源
它产生自己的热量和燃料来维持运转
它有可能完成能量回收周期
" “随着电网开始将其能源转向整合更多的可再生能源，”他补充道，“依靠电力满足我们的能源需求越来越有意义。”
我们开发了一种工艺，利用电力将废水中的碳化合物转化为有用的产品，同时去除氮和硫化合物等杂质
" 缩小能量差距 一种将湿废碳转化为燃料的非常有效的方法叫做水热液化(HTL)
本质上，这一过程压缩了天然化石燃料的生产时间，将潮湿的生物质转化为高能量的生物原油只需要几个小时，而不是几千年
但是该过程是不完整的，因为作为该过程的一部分而产生的废水需要进一步处理，以从否则会成为负债的部分中获得附加值
洛佩兹-鲁伊斯说:“我们意识到，在室温和大气压下，从废水中去除有机分子的相同(电)化学反应也可以用来直接升级生物原油。”
这就是新PNNL进程发挥作用的地方
未精炼的生物原油和废水可以直接从HTL输出流或其他湿废物进入系统
PNNL过程由所谓的流动池组成，废水和生物原油流经流动池，遇到由电流产生的带电环境
细胞本身被一层膜分成两半
利用一种新的PNNL研发的流动池，来自农场、污水和其他来源的废碳可以更容易地加工成高级生物燃料
在这个动画中，流动池接收来自水热液化过程的生物原油和废水
然后，它从废水中去除碳，让干净的水被重新利用
该系统甚至产生氢气，这是一种可以被捕获的有价值的燃料，降低了整个操作的成本
学分:莎拉·莱文动画|太平洋西北国家实验室 带正电的那一半被称为阳极，包含一层涂有氧化钌纳米颗粒的薄钛箔
这里，废物流经历催化转化，生物原油转化为有用的油和石蜡
与此同时，水溶性污染物，如氧气和含氮化合物，会发生化学转化，转化为氮气和氧气——大气的正常成分
从系统中排出的废水，去除了污染物，然后可以反馈到HTL过程
在流动池的带负电荷的那一半，称为阴极，发生了不同的反应，可以氢化有机分子(如处理过的生物原油中的分子)或产生氢气——流动池开发者认为这是一种潜在的燃料来源
“我们将该过程产生的氢副产品视为净增值
当被收集并作为燃料输入系统时，它可以用更少的能量输入来保持系统的运行，这可能使它比目前的生物质转化操作更加经济和碳中和，”Lopez-Ruiz说
化学转化的速度为系统提供了额外的好处
Lopez-Ruiz说:“我们做了一个速率比较——这就是我们用我们的系统从有机分子中去除氧气的速度，而不是能量密集型的热去除。”
“在大气条件下，电化学系统的转化率比在中等氢气压力和温度下的热系统高100多倍
“这些发现发表在2020年11月的《应用催化杂志B:环境》上
减少稀土金属的使用 许多商业技术的一个主要缺点是依赖稀土金属，通常被称为铂族金属
这些元素的全球供应链在很大程度上依赖于过时的提取过程，这些过程是能源密集型的，消耗大量的水并产生有毒废物
根据美国能源部的数据，进口占美国35种关键材料中14种的100%，占其他17种材料的一半以上，这使得国内供应成为重中之重
该系统通过结合沉积负责化学转化的金属纳米颗粒的独特方法来解决这个问题
这些粒子有很大的表面积，这需要更少的金属来完成它的工作
Lopez-Ruiz说:“我们发现使用金属纳米粒子作为相对的金属薄膜和箔降低了金属含量，提高了电化学性能。”
这些发现最近发表在《应用催化杂志:环境》上
这种新型催化剂所需的贵金属(在这种情况下是钌)比类似工艺通常所需的贵金属少1000倍
具体而言，实验室规模的流动反应器使用含有约5至15毫克钌的电极，相比之下，相当的反应器使用约10克铂
关于那些无用的碳化合物 研究小组还表明，PNNL工艺可以处理小的水溶性碳化合物——在当前HTL工艺的废水流中发现的副产品——以及许多其他工业工艺
在低浓度的废水流中，大约有12种这种极难处理的小碳化合物
直到现在，还没有成本效益高的技术来处理它们
这些短链碳化合物，如丙酸和丁酸，在新开发的过程中会转化为燃料，如乙烷、丙烷、己烷和氢气
初步成本分析显示，运行系统所需的电力成本可以通过在低电压下运行、使用丙烷或丁烷产生热量以及出售产生的多余氢气来完全抵消
这些发现发表在2020年7月的《应用电化学杂志》上
为联邦政府管理和运营PNNL的巴特尔公司已经申请了电化学工艺的美国专利
CogniTek管理系统公司(CogniTek)是一家将能源产品和技术解决方案推向市场的全球性公司，已从PNNL获得该技术的许可
CogniTek将把PNNL废水处理技术整合到CogniTek及其战略合作伙伴正在开发和商业化的专利生物质处理系统中
他们的目标是生产生物燃料，如生物柴油和生物喷气燃料
除了商业化协议，PNNL和科宁泰克还将合作将废水处理反应器从实验室规模扩大到示范规模
CogniTek首席执行官Michael Gurin表示:“我们CogniTek很高兴有机会结合我们的核心专利和正在申请专利的脱碳技术，扩展PNNL技术。”
这项技术被称为“清洁可持续电化学处理”或“清洁集”，有兴趣将其开发用于城市废水处理厂、奶牛场、啤酒厂、化学制造商以及食品和饮料生产商的行业特定用途的其他公司或市政当局可以申请许可
要了解这项技术的工作原理，请访问PNNL的可用技术网站
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
