Een enkele stap, plasma-verbeterd katalytisch proces om zwaveldioxide om te zetten in zuivere zwavel uit restgasstromen kan een veelbelovende, milieuvriendelijker alternatief voor de huidige meertraps thermische, katalytische en absorberende processen, volgens wetenschappers van Penn State.

"Zwaveldioxide kan aanzienlijke milieuproblemen veroorzaken, zoals zure regen, en het kan zeeverzuring veroorzaken, " zei Xiaoxing Wang, universitair hoofddocent aan het Penn State EMS Energy Institute. "Zwavel kan ook bijdragen aan fijnstof in de lucht die we inademen, die ernstiger kan zijn dan het zwaveldioxide zelf."

Blootstelling aan fijnstof veroorzaakte naar schatting 4,2 miljoen vroegtijdige sterfgevallen en meer dan 100 miljoen voor invaliditeit gecorrigeerde levensjaren - wat het aantal verloren jaren door ziekte meet, invaliditeit of overlijden – volgens de Lancet Global Burden of Diseases Study, gepubliceerd in 2015.

Volgens Wang, huidige ontzwavelingsmethoden kunnen zwaveldioxide met succes verwijderen uit uitlaatgasstromen, maar niet zonder significante nadelen.

Rookgasontzwavelingstechnologieën, bijvoorbeeld, zijn de meest gebruikte methoden om zwaveldioxide af te vangen, maar deze processen creëren een grote hoeveelheid vast afval in de vorm van metaalsulfaat dat moet worden verwijderd. Verder, deze processen produceren afvalwater dat extra behandeling vereist, waardoor de algehele methode duur en milieuonvriendelijk is.

Alternatief, zwaveldioxide kan worden gereduceerd tot vaste elementaire zwavel door katalyse - een chemische reactie veroorzaakt door een katalysator en gewoonlijk een reductiemiddel zoals waterstof, methaan, of koolmonoxide - en vervolgens gebruikt als grondstof voor zaken als kunstmest. Echter, in het traditionele katalytische proces zijn normaal gesproken hoge temperaturen nodig om hoge conversieniveaus te bereiken. Dit is niet ideaal omdat het veel energie verbruikt en er een verlies aan katalysatoractiviteit optreedt, volgens de wetenschappers.

Door deze gebreken, Wang en zijn collega's testten een nieuwe technologie, een stap, lage temperatuur plasma-geassisteerd katalytisch proces dat de noodzaak van hoge temperaturen elimineert en veel minder afval veroorzaakt dan FGD-technologieën.

Om dit proces te testen, het team laadde een ijzersulfidekatalysator in een gepakt bedreactor. Daarna introduceerden ze de waterstof en de zwaveldioxide gasmengsels, die bij ongeveer 300 graden Fahrenheit door het katalysatorbed ging. Ze zetten toen het niet-thermische plasma aan en de reacties begonnen onmiddellijk op te treden.

Zodra het proces is voltooid, ze analyseerden de monsters om te zien hoeveel zwaveldioxide in het gas zat en hoeveel waterstof werd verbruikt. Ze verzamelden en analyseerden ook de vaste zwavel, die zich op de bodem van de reactor ophoopt. Ze publiceerden hun resultaten in ACS Katalyse en een recent nummer van de Dagboek van Katalyse.

"De temperatuur die we gebruikten, 150 graden C (ongeveer 300 graden F), hoger is dan het zwavelsmeltpunt om zwavelafzetting over de katalysator te voorkomen, " zei Wang. "Door dit proces, de katalysator vertoont een zeer uitstekende stabiliteit. Wanneer u enkele uren loopt, we zien geen deactivering. De activiteit en de selectiviteit blijven hetzelfde."

De onderzoekers ontdekten ook dat dit proces de vermindering van zwaveldioxide bij lage temperaturen drastisch bevorderde, verbetering van de conversie met 148% tot 200 procent en 87 tot 120 procent met behulp van waterstof en methaan, respectievelijk.

Sean Knecht, universitair docent aan de School of Engineering Design, Technologie en professionele programma's, zei dat NTP werkt omdat hoogenergetische elektronen interageren met gasmoleculen om reactieve soorten te produceren - radicalen, ionen en geëxciteerde moleculen, waardoor verschillende chemische reacties bij lage temperatuur mogelijk zijn.

"Het resultaat is dat de elektronen in staat zijn om thermodynamisch ongunstige chemische reacties te initiëren door dissociatie en excitatie van reactanten bij veel lagere temperaturen dan thermische katalyse, "Zei Knecht. "Als deze reacties kunnen worden uitgevoerd bij veel lagere temperaturen dan typisch zijn voor thermische katalyse, zoals we hebben laten zien, dan wordt de stroomtoevoer naar toekomstige systemen aanzienlijk verminderd, wat erg is."

Wang voegde eraan toe dat het gebruik van plasma hen in staat stelt optimale prestaties te bereiken met slechts 10 watt elektriciteit. Een ander voordeel is dat hernieuwbare energie, zoals wind of zon, kan gemakkelijk op dit proces worden toegepast om het plasma van stroom te voorzien.

De onderzoekers willen nu beter begrijpen hoe het plasma precies bijdraagt ​​aan het katalyseproces en zoeken naar een nog effectievere katalysator voor het proces.

"Een huidige uitdaging waar we aan werken, is het verder isoleren van de effecten van het plasma versus de effecten van de katalysator en de synergetische aspecten, "Zei Knecht. "We bekijken momenteel en op een bepaald moment enkele opties voor oppervlaktespectroscopie, combineren met computationele modellering. Door deze samen te brengen, kan een meer holistisch begrip van de natuurkunde en scheikunde in het spel worden verkregen."

Als het proces commercialiseerbaar is, het heeft het potentieel om de huidige FDG-technologieën grotendeels te vervangen.

"Het is zeer gunstig voor energie en het milieu, " zei Wang. "Ons proces bespaart energie, vermindert afval en bespaart water. Dit is heel transformerend."