Als mensen een emissiehal van schaamte zouden creëren, welke vervuilende stoffen zou jij nomineren?

Kooldioxide en methaan zouden waarschijnlijk favoriet zijn bij fans. Maar neem even de tijd en overweeg mijn dark horse-kandidaat:zwaveldioxide. In tegenstelling tot zijn op koolstof gebaseerde tegenhangers, zwaveldioxide wordt niet als een belangrijk broeikasgas beschouwd en krijgt niet zoveel aandacht in de media. In plaats daarvan, het doet zijn vuile werk op andere manieren.

Zwaveldioxide wordt voornamelijk uitgestoten door de verbranding van fossiele brandstoffen uit elektriciteitscentrales, industrie, auto's, vliegtuigen en schepen. Het zwaveldioxide vindt dan andere atmosferische moleculen in de lucht, combineert met hen, en vormt zwavelhoudende deeltjes.

Deze inhaleerbare deeltjes kunnen erg klein zijn - sommige minder dan een tiende van de breedte van een mensenhaar - en ze dragen bij aan zure regen, nevel en smog. Al deze veroorzaken ademhalingscomplicaties en verergeren bestaande aandoeningen zoals astma. In feite, deze fijnstof wordt beschouwd als de luchtverontreinigende stof met de grootste impact op de volksgezondheid.

Ik ben een organisch chemicus die technologieën ontwikkelt om uitdagende, grootschalige problemen zoals zwavelvervuiling op moleculair niveau.

Een wereldwijd probleem

Woont in Los Angeles, het is onmogelijk om dagelijks zwavelhoudende deeltjesvervuiling te vermijden en het is ook een groot probleem voor de volksgezondheid in veel andere Noord-Amerikaanse steden. Andere delen van de wereld, waaronder veel steden India en China, heb het nog erger.

Maar er is een zilveren randje aan onze smogwolk. Terwijl kooldioxide een noodzakelijk bijproduct is van de verbranding van fossiele brandstoffen, zwaveldioxide niet. In tegenstelling tot koolstof, zwavel is eigenlijk een ongewenste verontreiniging in brandstoffen. Dit betekent dat als alle zwavel uit fossiele brandstoffen zou kunnen worden verwijderd voordat ze worden verbrand, de zwavelemissies zouden worden teruggedrongen en de vervuiling aan banden gelegd.

Gelukkig, het grootste deel van de zwavel wordt tijdens de raffinage al uit brandstoffen verwijderd via een opmerkelijk chemisch proces dat hydro-ontzwaveling wordt genoemd. De zwavel wordt uit de brandstof ontdaan in de vorm van waterstofsulfide, die vervolgens wordt omgezet in vaste zwavel, of zwavelzuur. Maar bepaalde hardnekkige zwavelmoleculen hebben de neiging om dit proces helemaal te omzeilen en deze verontreinigingen vinden hun weg naar onze gastanks. Bijvoorbeeld, zelfs diesel met een ultralaag zwavelgehalte (ULSD) bevat ongeveer 10 tot 15 delen per miljoen zwavel.

Het hydro-ontzwavelingsproces is gebaseerd op een metaalkatalysator, hoge drukken van waterstofgas, en hoge temperaturen - het is een zeer complexe wetenschap en techniek. Katalysator- en raffinage-expert Valentin Parmon reflecteerde op hoe geavanceerd dit proces werkelijk is in een lezing uit 2016. In het, hij merkte op dat er meer landen zijn met de technische capaciteiten om kernwapens te produceren dan landen die brandstoffen substantieel kunnen raffineren.

Nu de wereldwijde vraag naar olie naar verwachting tot ongeveer 2040 zal groeien, wetenschappers en ingenieurs moeten snel een manier vinden om de hoeveelheid zwavel in brandstoffen verder te verminderen, idealiter tot verwaarloosbare niveaus. Zo'n doorbraak zou mensen over de hele wereld de kans geven om gemakkelijker te ademen.

Versnelde chemie

in 2016, Ik verdedigde mijn Ph.D. in organische chemie van het Grubbs-lab in Caltech. Tijdens mijn studie heb ik mijn team en ik ontdekten dat een klasse van moleculen die het element kalium bevatten, als katalysator kan werken en uitdagende chemische processen kan verbeteren. Dit soort gedrag was zeer verrassend omdat industriële katalysatoren vaak dure zware metalen gebruiken, zoals palladium, of andere metalen die hoge temperaturen nodig hebben om actief te zijn. In tegenstelling tot, kalium is een bestanddeel van veel voorkomende mineralen. Het is het zevende meest voorkomende element in de aardkorst - 20 miljoen keer overvloediger dan palladium en orden van grootte goedkoper.

Tot dusver, we hebben toepassingen gevonden voor onze kaliumtechnologie in een aantal belangrijke toepassingen, vooral in de zorg en energie. Tegen de tijd dat ik Caltech verliet in 2016, we hadden een groot aantal patenten verleend en aangevraagd voor deze chemie en we werken nu aan veel meer.

Ik stond te popelen om deze ontdekkingen toe te passen om mondiale problemen aan te pakken, dus datzelfde jaar werkte ik samen met ondernemers Nick Slavin en Nova Spivack en richtte Fuzionaire op om deze technologie te commercialiseren.

Zwavel verwijderen met kalium

In 2013, veelbelovend vroeg werk geïnitieerd door mijn vriend en collega bij Caltech, Dr. Alexey Fedorov, inspireerde ons om te overwegen de kaliumtechnologie te gebruiken om zwavel uit brandstof te verwijderen. Vier jaar later, Alexey en ik, samen met een internationaal team van academische en industriële medewerkers, een paper gepubliceerd waarin onze bevindingen worden beschreven.

De methode bleek zeer effectief. In het laboratorium, we zouden de zwavelconcentratie in een zwavelrijk dieselbrandstofmonster kunnen verlagen van 10, 000 delen per miljoen tot twee, het overschrijden van de ambitieuze internationale zwavelvoorschriften voor transportbrandstoffen, en dit bij lage temperaturen en drukken.

Vorig jaar, twee artikelen van Chinese wetenschappers van meerdere instellingen in Jiangsu, Shandong, en Peking paste onze op kalium gebaseerde methode toe om de zwavel te verwijderen uit ruwe steenkool die in de Xinyu- en Guxian-regio's werd gedolven. Hun experimenten met kolen ter grootte van een reageerbuis waren succesvol en in 80 minuten verwijderden ze meer dan 60% van de zwavel.

In dit stadium, onze ontzwavelingsmethode is nog niet gebruikt om grote hoeveelheden brandstof te raffineren, dus de volgende stappen omvatten het implementeren van technische oplossingen en het aanpassen van de chemie voor opschaling.

Vooruit kijken

Hoewel er nog moet worden gewerkt om de ontzwavelingstechniek te verbeteren om deze geschikt te maken voor grootschalige raffinage, deze eerste resultaten zijn bemoedigend. Bijna alle zwaveldioxide-emissies in India zijn afkomstig van steenkool, waardoor ongeveer 33 miljoen mensen in gebieden met aanzienlijke zwaveldioxideverontreiniging leven. In China, zwaveldioxide-emissies, voornamelijk afkomstig van de verbranding van kolen, zouden bijdragen aan meer dan 230, 000 doden per jaar met een economische kost van meer dan $ 100 miljard.

In de komende 20 jaar, de wereldbevolking zal met ongeveer 1,7 miljard toenemen, meestal in stedelijke gebieden van opkomende economieën. Naar verwachting zal hierdoor de vraag naar energie tot 2040 met 25% toenemen. En ondanks de drang naar elektrificatie en hernieuwbare energiebronnen, fossiele brandstoffen zullen naar verwachting nog tientallen jaren een fundament van economische groei blijven, en het is cruciaal dat ze zo schoon mogelijk branden.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.