Daha Güvenilir ve Daha Ucuz Doğal Gaz Depolaması için Özel Bir Metal-Organik Yapı Tasarlandı
Fotoğraf: Bir MOF malzemesi, orta sıcaklık ve basınçlarda metanın daha güvenilir ve uygun maliyetli bir şekilde depolanmasını ve salınmasını sağlayabilir. Kredi: Jill Hemman/ORNL
Doğal gazın ana bileşenlerinden biri olan metan, yeryüzünde en yaygın olarak bulunan organik bileşiklerden biridir. Diğer fosil yakıtlarda olduğu gibi yakalanabilir, depolanabilir ve binaların ısıtılması, doğal gaz ile çalışan araçlara güç sağlanması gibi birçok endüstriyel işlemde kullanılabilir.
Bununla birlikte doğal gazın taşınması, depolanması ve kullanımı maliyetli, zor ve risklidir. Geleneksel dağıtım ve depolama yöntemleri uzun ve dolayısıyla maliyetli boru hattı sistemlerini, güçlendirilmiş tanklarda gazın 3.000 pound/in2 (psi) altında (bir araba lastiğindeki basınçtan yaklaşık 100 kat daha yüksek) sıkıştırılmasını ve bu gazın sıvı faza yoğunlaştırılmasını gerektirir. Kriyojenik kaplarda gerçekleştirilen gazın sıvı faza yoğunlaştırılması işlemi sıcaklıkların -260 Fahrenheit’e kadar düşürülmesini gerektirdiğinden enerjinin yoğun olduğu bir işlemdir.
Bilim insanlarının ve mühendislerin araçlardaki metan gazının çok daha düşük basınçlarda ve daha yüksek sıcaklıklarda depolanabilmesi için yeni malzemeleri geliştirmeleri ve yeni nesil temiz enerji otomobillerine yakıt sağlayabilmeleri konusunda Enerji Bakanlığı (DOE) yardımcı olabilir.
İspanya, Fas, Suudi Arabistan ve DOE’den bir araya gelen bilim insanlarının oluşturduğu Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL), metanın daha güvenilir ve uygun maliyetli bir şekilde depolanabilmesini sağlayabilmek amacıyla metanın buza benzer bir kristal yapıda ortalama bir sıcaklık ve basınç altında depolanıp daha sonra salınabileceği bir malzemenin tanımlanması ve karakterize edilebilmesi için nötron saçılımını kullandı. Araştırmalarının sonuçları Journal of the American Chemical Society’de yayınlandı.
Cr-soc-MOF-1 adını verdikleri malzeme, ağırlığının neredeyse iki katı kadar miktardaki bir suya tutunabilme özelliğine sahip, özel olarak tasarlanmış gözenekli bir metal – organik kafes malzemesidir. Araştırmacılar, bu malzemenin yaklaşık 400 psi’lik nispeten daha düşük bir basınçta ve 37 Fahrenheit’lik daha yüksek bir sıcaklıkta metan hidratların hızlı büyümesini desteklediğini buldular. Geleneksel yöntemlere göre metanın benzer malzemelerde depolanması 1.400 psi’lik bir yüksek basıncı gerektirir. Bu çalışma aynı zamanda, sıkıştırılan metanın dar bir basınç aralığında tutulup serbest bırakılabileceğini ve dolayısıyla metanın depolanmasına ilişkin sistemlerin daha az karmaşık ve daha ekonomik olmasını sağlayabileceğini gösterir.
Bilim insanları daha düşük basınçta emilen katı hidratlı metan miktarının, 1.400 psi’deki kuru metan gazının miktarından yaklaşık %50 daha fazla olduğunu gösterdi. Cr-soc-MOF-1 çok yüksek miktarlardaki metanı depolayabilir çünkü çok sayıda gözenek bulundurması sayesinde, malzemenin bir gramının (yaklaşık olarak bir M&M şekerinin ağırlığı kadar) bile sağlandığı durumlarda neredeyse bir futbol sahasının kaplanmasına yetecek kadar bir yüzey alanına sahip olacaktır.
ORNL’nin kimyasal spektroskopi ekibinin takım lideri Timmy Ramirez – Cuesta, “Bu malzemenin nispeten daha düşük bir basınçta depolayabildiği metan miktarı gerçekten dikkate değerdir” dedi. “Şu anda, MOF’un sıcaklığını 20 Fahrenheit gibi daha düşük bir sıcaklığa düşürerek metanın MOF’da daha düşük basınçlarda depolanabilmesini sağlamak için çalışıyoruz.”
Ramirez Cuesta, sıcaklığı yalnızca birkaç derece yükseltip, basıncı düşürerek metanın serbest bırakılması için kullanılan emilim yönteminin tersine çevrilebileceğini ekledi. “MOF’un içinde hidrat oluşumunun meydana geldiği basınç ile metanın serbest bırakıldığı basınç aralığı, metanların depolandığı cihazların gelecekte basınç dalgalanmalarının daha az olduğu koşullar altında çalışabileceğini ve bu da daha ucuz depolama sistemlerinin geliştirilebileceğini gösteriyor.”
Daha hafif, daha ucuz ve daha güvenilir depolama sistemleri ağırlığın, güvenliğin ve maliyet faktörlerinin oldukça önemli olduğu araçlarda doğal gazın yakıt olarak kullanılmasını kolaylaştırabilir. Metanın kristal katı formundaki bir yakıtın araçlarda depolanması, metanın gaz ve sıvı hallerindeki yanıcılığı sayesinde endüstriyel endişeleri ve tüketici endişelerini de giderebilir.
İspanya Alicante Üniversitesi’nden Profesör Joaquin Silvestre-Albero “Bir MOF’un gözeneklerinde oluşan metan hidratların ilk kanıtının elde edilebilmesi için ORNL’nin Spallation Neutron Source’deki VISION titreşimli spektrometre cihazında nötron saçılımını kullandık” dedi. “Metan hidrat nanokristallerinin her bir boşluğa karşılık gelen bir kristalde izole edilebilmesi için Cr-soc-MOF-1 malzemesinin uygun bir boşluğa veya kafes boyutuna sahip olduğu görülmüştür.”
MOF, buz benzeri metan hidrat kristallerinin oluşumunun desteklenebilmesi için önce su ile yüklenmiş ve soğutulmuş, ardından metana maruz bırakılmıştır. Malzeme, metan moleküllerinin bu malzemenin iç boşluklarına girmesine ve MOF’un gözeneklerinde tutulmasına yardımcı olmak için belirli bir basınç altında yüklenmiştir. Bu MOF numunesi daha sonra atomların atomik hareketlerinin ölçülebilmesi amacıyla nötron spektroskopisine tabi tutulmuştur.
ORNL’de nötron saçılımı üzerine çalışan bilim insanlarından Yongqiang “YQ” Cheng, “Gözeneklerin içinde hapsolmuş dönen moleküllere ilişkin işaretler, nötron saçılımının önemli bir teşhis aracı olduğunu gösteren VISION nötron cihazı ile mükemmel bir şekilde tespit edildi” dedi. “Yalnızca nötron spektroskopisi MOF kafeslerinin içinde hapsolup dönen metan moleküllerinin deneysel kanıtını bu kadar doğrudan sağlayabilirdi.”
Metanın daha uygun maliyetler ile depolanabilmesine ilişkin yöntemlerin belirlenmesi, yenilenebilir enerji için daha geniş uygulamalara sahip olabilir ve böylece atmosfere güçlü bir şekilde salınan sera gazlarının önlenmesine yardımcı olabilir.
Kaynak: scitechdaily.com
