Chimie Douce: Yeşil Hidrojen
Düşük sıcaklıkta bir su ayırma protokolü, konsantre güneş enerjisi yerine mikrodalga gücü kullanır.
‘Chimie Douce’ nin sözlük anlamı ‘Soft Chemistry’dir. Katı halli malzemelerin daha çevre dostu ortamlarda yapılması için genellikle geleneksel sentetik yaklaşımlarla ilişkilendirilen aşırı sıcaklık,ısı ve basıncın azaltılmasını çağrıştırır.
Bu bağlamda, yenilenebilir elektrik kullanılarak yeşil hidrojenin çevre dostu üretimiyle teknolojik açıdan çok önemli olan heyecan verici ‘Chimie Douce’ örneği raporlandı. Yayınlanan bu örnek H20 buharını H2 ve O2 akımlarına ayırmak için mikrodalga ile indüklenen bir metal oksit redoks döngüsünü içermekte ve 250°C nin altındaki sıcaklıklarda çalışmaktadır.
Tersinir metal oksit kimyası ile termal su ayırma işlemine(Termokimyasal su ayırma, sudan hidrojen ve oksijen üretmek için konsantre güneş enerjisinden veya nükleer güç reaksiyonlarının atık ısısından kaynaklanan yüksek sıcaklıkları ve kimyasal reaksiyonları kullanır.) benzer olsada konsantre güneş enerjisi yerine mikrodalga gücünü kullanmak ılıman sıcaklık koşulları göz önüne alındığında daha caziptir.(250°Cye karşılık 1000-1500°C). Aynı zamanda reaktör dizaynının sadeliği ve operasyonun ölçeklenebilirliği güneş yoğunlaştırıcı düzeneklerinin gerektirdiği aşırı koşullar ve tasarım karmaşıklığı ile karşılaştırıldığında da mikrodalga gücün daha uygun olduğu görülebilir.
H20 ayırma prosesleri gaz halindeki O2’nin eş zamanlı birbirine bağlı olarak ortadan kaldırılmasıyla MOx-d yi oluşturmak için metal oksit MOx başlatıcılığında kafes oksijen boşluklarının [O]v üretimine dayanır. MOx-d de oluşan [O]v , H2 yi üretmek ve MOx ‘i yeniden oluşturmak için H2O’dan O’nin ayrıştırılması amacıyla aktif reaksiyon alanı görevini görür. Böylece şekil-1 de görüldüğü gibi redoks döngüsünü tamamlar.
Fotoğraf 1. Chimie Douce, düşük sıcaklıkta yeşil H2, CO ve O2 üretildi.
Benzer bir ayırma reaksiyonu CO2’in CO formuna dönüşmesinde gerçekleşebilir ve ayrılan H2O ile birleştiğinde sentetik gaz olan CO/H2 oluşur. Sentetik gaz hidrokarbonlar, alkoller ve eterler için tercih edilen endüstriyel bir hammaddedir. Hem mikrodalga hem de güneş enerjisi proseslerinin sahip olduğu bir özelliktir.
Mikrodalga ile indüklenen H2O ayrılmasının tekrar üretilebilirliği, bir mikrodalga basınç dalgalanması veya kimyasal döngü reaktör konfigürasyonları kullanılarak sürekli H2 oluşumu potansiyeli sunan 7 döngü boyunca görülür. Yükseltmek için, birincisinde 02 ve H2 üretimi iki alternatif reaktörde sırayla meydana gelirken, ikincisinde reaktörler sürekli olarak ayrı O2 ve H2 akımları üreterek çalışır.
Mikrodalga ile su ayırma çalışmasındaki kavram kanıtlamasında tercih edilen metal oksit gadolinyum katkılı seryum oksit ile stokiyometrik oranda Gd0.2Ce0.8O1.9 dir. Bu metal oksit arketip florit CaF2 kristal kafesine sahiptir, buradaki bazı Ce(IV)’ün Gd(III) ile yer değiştirmesiyle eş değer [O]v oluşturularak elektronötraliteye ulaşılır.
Ce(III) den gelen ek elektronlarla [O]v oluşmasıyla Gd0.2Ce0.8O1.9-d de oluşan ekstra kafes boşluğu katkılı Gd0.2Ce0.8O1.9’un oksit ve elektron hareketliliğini mikrodalga radyasyonu tarafından elektronik ve termal olarak uyarıldığında oksijen kaybına yol açan katkısız CeO2’ye göre arttırır.
Gd0.2Ce0.8O1.9 da 4f7Gd(II) deki 7 eşleşmemiş elektronun potansiyel olarak bu malzemeye manyetotermal ısıtma özellikleri kazandırdığını belirtmek gerekir. Mikrodalgadan kaynaklanan yüksek sıcaklık,kısmen veya tamamen, alternatif manyetik alan bileşeninin mikrodalga radyasyonuna Gd(III) bölgelerinin manyetik dipollerine bağlanmasından kaynaklanabilir.
Bu Gd0.2Ce0.8O1.9 örgüsündeki manyetik momentin hızlı dönüşüne neden olabilir ve bu Néel gevşemesi yoluyla yerel ısınmaya sebep olabilir.Néel gevşeme teorisi, Louis Néel tarafından 1949 yılında manyetik viskozite olarak bilinen zamana bağlı olayları açıklamak için geliştirilmiş bir teoridir.
Bu metal oksit redoks döngüleri üzerindeki “ısıyı azaltma” kabiliyetinin, mikrodalgayla indüklenen elektromanyetik alan polarizasyonundan, elektron ve oksit iyonu iletkenliğinden ve termalizasyon etkilerinden kaynaklandığı öne sürülmüştür. İşlemler, 250 ° C’nin altındaki sıcaklıklarda oksijenin ortadan kaldırılmasını ve metal oksit içinde oksijen boşluklarının oluşumunu kolaylaştırmak için sinerjik olarak çalışır. Elektriksel iletkenlikte eşzamanlı bir artış, mikrodalgayla çalışan O2 salınımı ile ilişkilidir.
Güneş ısıl proseslerinin aşırı sıcaklık koşullarının yumuşatılmasını sağlayan “mikrodalga avantajı” nın özü budur. H2O ve CO2 ayırma reaksiyonlarının enerji verimliliğinin, bu heyecan verici güneş ve mikrodalga işlemlerinin bir teknoekonomik ve yaşam döngüsü analizi ile bir karşılaştırmasını görmek büyüleyici olacaktır.
Gaz fazı mikrodalgalı H20 redoks döngüsünde H2 oluşturmak için gerçekleşen ayırma işleminde, metal oksit oksijen kaybı aşamasını düşük güneş enerjisinde fotokimyasal olarak ve su oksijen soyutlamasını yakın zamanda tarif edildiği gibi fototermal olarak devam ettirildiğinde daha da yumuşak hale getirilebileceğini belirtmek gerekir.
Yenilenebilir enerjinin H2 biçiminde depolanması, enerji geçişinin kilit unsurlarından biridir. İsteğe bağlı olarak yakıt hücresinde çevre dostu elektriğe dönüştürülebilir ve çok sayıda endüstriyel kimyasal işlemin temiz bir şekilde çalışmasını kolaylaştırabilir. Hidrojen, önemli CO2 ayak izi ile mevcut hidrokarbon moleküllerinin özel petrol ürünlerine katalitik dönüşümüolan hidrokarbon reformu seçeneğine kıyasla sürdürülebilir yeşil alternatiftir.
Bu çalışmanın ana fikri, mikrodalga ile su ayırmada düşük sıcaklıkların kullanılmasının, güneş termokimyasal ayrılmanın sakıncalarını hafifletmesi ve çok daha yüksek enerji verimliliklerinin, yani daha düşük enerji maliyetlerinin, mikrodalga su için ~ 50 kWh / kg H2 elde edilmesini sağlamasıdır. Ayırma ve güneş enerjisi için > 70 kWh / kg H2. Genel olarak, farklı kütle akışlarının ısıtılması ve soğutulması gerektiğinden, daha yüksek sıcaklıkta işleyen süreçler daha düşük verimlilik gösterir, bu da entropide önemli artışlar anlamına gelir ve kaçınılmaz ısı dağılımına neden olur.
Güneş ısıl süreçleri söz konusu olduğunda radyasyon kayıplarının yanı sıra ana kayıplar sıvıların ve seramik oksitlerin ısıtılması / soğutulmasından ve küçük ölçüde de inert gaz tüketiminden, üniform olmayan sıcaklıktan ve güneş enerjisi reaktöründeki sıvı akış dağılımından kaynaklanır. Güneşten yakıta dönüştürülen tesisler için ideal verimlilik ~% 68’dir ve mikrodalga teknolojisindeki ilerlemenin ısı geri kazanımı ve yönetiminin iyileştirilmesini sağlaması durumunda>% 20 değerlere ulaşması beklenmektedir.
Ayrıca mikrodalga işlemi, geleneksel basınç salınımlı emilim veya reaktörler kadar tasarımı sade ve basit olduğu için mikrodalga aplikatörleriyle ölçeklenebilir. Genel olarak, sermaye maliyetleri geleneksel sabit yataklı kolon / reaktör teknolojisine benzerken, mikrodalga jeneratör günümüzde sermaye maliyetlerinin önemli bir bölümünü (örneğin% 25-40) oluşturabilmektedir. Bununla birlikte, seri ölçekli üretim için gelecekte jeneratör maliyetleri düşürülebilir. Mikrodalga tesisinin düşük T işleminde standart malzemeleri kullanabilmesi gerçeği, bir güneş enerjisi tesisine göre CO2 ayak izinde bir azalma vaat ediyor.
Mikrodalga sonuçlarını yakın tarihli bir EES güneş termal makalesinde bildirilenlerle karşılaştırmanın birkaç ilginç noktası vardır. Birincisi, daha düşük bir sıcaklıkta çalışmanın çok açık bir avantajı var, bu da mikrodalga ile çalışmaya olan yaklaşım için büyük bir artı. Mikrodalgalar için O2 çıkışı, aynı zamanda malzeme seçimi, reaktör boyutu ve ölçeklenebilirlik üzerinde önemli etkilere sahip olan 155 kat daha yüksek bir faktör olan 31 ml / gr katı güneş ısısına kıyasla 0.2 ml / gr katı olarak rapor edilmiştir.
Ek olarak, H2O’nun H2‘ye ve CO2‘nin CO’ya kütle dönüşümünün açıklığa kavuşturulması gerekir. Mikrodalga çalışması, Ar içinde% 15 CO2 ve% 3 H2O kullandığını rapor eder, bu da ürün gazlarının Ar içinde yüksek oranda seyreltildiği anlamına gelir. Bu, seyreltilmemiş konsantre akışlara geçiş bir sorun olarak görülmemekle birlikte, üretilen yakıtın saflığı açısından pratiklik sorusunu gündeme getirmektedir.
Mikrodalga deney düzeneğinin enerji verimliliği teorik olarak hesaplanır ve enerji dengesinden bahsedilir. Parazitik enerji tüketimi ile ilgili bilgiler, enerji dengesinin güneş termal deneyinin rapor edilen ölçülen verimlilikleri ile karşılaştırılmasına izin veren ek materyalde yer almaktadır.Mikrodalga deneyi ayrıca güneş termal 500 döngüsünün 7 çevrimi için kararlılığı rapor eder.
Birisi, rakip yaklaşımlarla anlamlı bir şekilde karşılaştırmak için çok erken bir aşamada olmasına rağmen, mikrodalga konseptinin oldukça umut verici olduğu sonucuna varıyor. Nihai karşılaştırma, ölçülen molar dönüşümler, ölçülen yakıt saflığı ve ölçülen enerji verimlilikleri hakkında bilgi gerektirir ve kararlılığın> 100 döngü için gösterilmesi gerekir.
Kaynak: advancedsciencenews.com
