Doğal Gazın Daha Ucuz ve Güvenli Depolanması için MOF Malzemesi

Fotoğraf: MOF malzemesi (Metal-organik kafes), metanı daha güvenli ve  düşük maliyetli depolanmasını sağlar.  Kaynak: Jill Hemman/ORNL

Doğal gazın ana bileşeni olan metan, yeryüzünde en bol bulunan organik bileşiklerden biridir. Metan diğer fosil yakıtlar gibi depolanabilmekte ve binaları ısıtmak, doğal gazlı araçlara güç sağlamak, yemek pişirmek gibi birçok endüstriyel işlemde kullanılabilmektedir.

Bununla birlikte, doğal gazın depolanması ve taşınması zor, pahalı ve riskli bir işlem olabilmektedir. Standart dağıtım ve taşıma yöntemlerinde uzun ve maliyetli boru hattı sistemlerinden, güçlendirilmiş portatif tanklardaki gazın yaklaşık 3000 / basınçla sıkıştırılmasından veya gazı bir sıvıya yoğunlaştırmadan yararlanılır. Bu işlemde sıvılaştırmanın gerçekleşmesi için, gazın -260˚F sıcaklıklara kadar soğutulması gerektiğinden, işlem, enerji yoğun kriyojenik kaplarda gerçekleştirilir.

Araçlardaki metan gazının çok daha düşük basınçlarda ve yüksek sıcaklıklarda depolanması, yeni nesil temiz enerjili araçlara yakıt üretilmesi konusunda yeni bir kapı açacağı düşünüldüğünden bu konuyla ilgili olarak birçok çalışma yapılmaktadır.

Şimdilerde ise, İspanya, Fas, Suudi Arabistan ve ABD Enerji Bakanlığı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan (ORNL) bilim insanları, daha makul basınç ve sıcaklık koşullarında metanı daha güvenli ve uygun maliyetli bir şekilde buz benzeri kristal bir formda depolayıp salabilen bir materyal elde etmek için nötron saçılımından yararlandılar. Araştırmanın sonuçları Amerikan Kimya Derneği Dergisi’nde (Journal of American Chemical Society) yayınlandı.

Yoğun çalışmalar sonucu geliştirilen bu materyal Cr-soc-MOF-1 olarak adlandırılan, özel olarak tasarlanmış gözenekli bir metal-organik kafes (MOF) malzemesidir. Bunun yanında Cr-soc-MOF-1 , ağırlığının nerdeyse iki katı kadar suyu adsorplama yeteneğine sahiptir.

Araştırmacılar, bu malzemelerin, metan hidratların 400 psi’lik nispeten düşük bir basınçta ve 37 ˚F gibi yüksek bir sıcaklıkta hızla büyümesini sağladığını keşfettiler. Çalışma ayrıca, sıkışan metanın, dar bir basınç aralığında tutulup serbest bırakılması sayesinde metan depolama yöntemlerinin daha basit ve ekonomik hale geleceğini ortaya koyuyor.

Bilim insanları, yaptıkları çalışmalar sonucu, daha düşük basınçta adsorbe edilen katı hidratlı metan miktarının, 1400 psi’lik basınçta kuru metan gazı için olduğundan yaklaşık %50 daha fazla olduğunu gösterdi. Cr-soc-MOF-1 malzemesinin bu kadar yüksek miktarlarda metanı tutabilmesi ise gözenekli yapısından kaynaklanır. Hatta bu malzeme o kadar gözeneklidir ki, gerildiği zaman sadece 1 gramı nerdeyse bir futbol sahası büyüklüğünde bir yüzey alanına sahip olmaktadır.

ORNL’nin kimyasal spektroskopi lideri Timmy-Ramirez Cuesta çalışmanın sonuçlarıyla ilgili olarak “Bu MOF malzemesinin nispeten düşük bir basınçta depolayabildiği metan miktarı gerçekten ilgi çekici.” dedi. “MOF’un sıcaklığının daha da düşürüldüğünde metan, MOF’ta daha da düşük basınçlarda depolanmaya devam ediyor.”

Ramirez-Cuesta, metanı serbest bırakmak için adsorpsiyon işleminin yalnızca sıcaklığı birkaç derece yükselterek veya basıncı azaltarak tersine çevrilebileceğini de ekledi. “MOF içinde metan hidrat oluşumu ve bu metan hidratın serbest bırakılması arasındaki dar basınç aralığı, gelecekte metan depolama cihazlarının daha az maliyetli olacağını ve daha düşük basınçlarda çalışabileceğini gösteriyor.”

Daha hafif, güvenilir ve ekonomik depolama sistemleri, araçlarda doğal gazın yakıt olarak kullanılmasını kolaylaştırabilir. Bunun yanında, yakıtın araçta metan hidratın kristal katı formunda depolanabilmesi ise metanın gaz ve sıvı hallerinde yanıcılığıyla ilgili endişelerin önüne geçecektir.

İspanya Alicante Üniversitesi profesörü Joaquin Silvestre-Albero kullandıkları metotla ilgili olarak “Bir MOF’un gözeneklerinde oluşan metan hidratları gözlemlemek için nötron saçılımından yararlandık. Elde edilen verilere göre ise Cr-soc-MOF-1 malzemesinin, metan hidrat kristallerini tutmak için yeterli düzeyde bir kafes boyutuna sahip olduğunu gördük.” dedi.

Çalışmada, metan hidrat kristallerinin oluşumu için MOF öncelikle suyla doldurulmuş ve soğutulmuştur. Daha sonra ise soğutulan MOF metana maruz bırakılmıştır. Malzeme basınç altında yüklenmiştir. Bunun sebebi ise, metanın malzemenin iç boşluklarına kadar girebilmesi ve metan moleküllerinin MOF gözeneklerinin içinde tutulmasına yardımcı olmaktır. Bu aşamadan sonra, MOF numunesi atomların atomik hareketini ölçme yöntemi olan nötron spektroskopisine tabi tutuldu.

ORNL’den bir bilim insanı Yongqiang Cheng, çalışmaya ilgili olarak MOF gözeneklerinin içinde tutulan moleküllerin nötron spektroskopisi yöntemiyle görüntülendiğini ve halihazırda bu kadar doğrudan deneysel kanıtlar sağlayabilecek tek yöntemin de bu olduğunu belirtti.

Düşük maliyetli bir metan depolama yönteminin varlığının, metanın tutulması ve depolanması hususunda geniş uygulamalara yol açacağı tahmin edilmekte. Bu uygulamalar arasında çiftlik hayvanları tarafından üretilen, çöp sahalarında ve petrol çıkarma işlemleri esnasında üretilen metanın yakalanması ve depolanmasını örnek gösterebiliriz. Sayılan bu faaliyetler sonucu açığa çıkan metan gazının sera gazı olarak atmosfere salındığı düşünülürse, bu yöntemin çok değerli olduğu görülmektedir.

Kaynak: scitechdaily.com