p Uma relação de colaboração multidisciplinar, desenvolvido entre pesquisadores do Penn State EMS Energy Institute e uma empresa start-up com sede em Pittsburgh, pode ser a resposta para a redução das emissões globais de gases de efeito estufa, ao mesmo tempo que abre o caminho para desestabilizar as indústrias química e de materiais. p Desde 2015, Randy Vander Wal, professor de energia e engenharia mineral e ciência e engenharia de materiais, e afiliado ao EMS Energy Institute, tem colaborado com o H Quest Vanguard em um número crescente de projetos que usam a tecnologia de plasma da empresa para permitir novos potenciais, usos não emissivos de carvão e gás natural.

p "Os recursos exclusivos do Laboratório de Caracterização de Materiais da Penn State fornecem informações valiosas sobre as propriedades dos materiais produzidos por plasma da H Quest e são cruciais para estabelecer um produto adequado para comercialização, "disse George Skoptsov, CEO da H Quest.

p A colaboração resultou em cinco projetos de pesquisa que visam reinventar o carvão e o gás natural no século 21 como limpos, fontes econômicas de combustíveis e materiais de alto desempenho.

p Reduzindo as emissões de gases de efeito estufa

p Embora o clima da Terra tenha mudado ao longo da história, o consenso científico atual é que a tendência atual de aquecimento global é provavelmente o resultado da atividade humana, nomeadamente emissões de gases com efeito de estufa devido à combustão de combustíveis fósseis.

p A mudança para combustíveis mais limpos é reconhecida como um componente-chave na redução dessas emissões. Hidrogênio, em particular, é um portador de energia promissor porque sua queima produz apenas água e não dióxido de carbono. Mas o hidrogênio é muito raro em sua forma molecular pura. É abundante, Contudo, na forma de água - 11% de hidrogênio em massa - e metano, um componente principal do gás natural - 25% de hidrogênio em massa. Na verdade, de acordo com o Departamento de Energia dos EUA, atualmente 95% do hidrogênio para combustível nos EUA é extraído do gás natural.

p O processo industrial mais amplamente usado para a produção de hidrogênio - reforma vapor-metano - aquece o metano do gás natural usando vapor para produzir monóxido de carbono e hidrogênio. Infelizmente, esse processo tem uma grande pegada de emissão de gases de efeito estufa e consome grandes quantidades de água.

p A decomposição térmica do metano aquece o gás natural a mais de 2, 000 graus Fahrenheit, que quebra as moléculas de hidrocarbonetos, extraindo hidrogênio como gás e deixando o carbono sólido para trás. A introdução de catalisadores neste processo pode reduzir a temperatura necessária, mas apresenta o problema de separar o carbono sólido das superfícies do catalisador. Geral, devido a restrições associadas ao aquecimento, este processo continua caro, energia intensiva, e processo emissivo de gases de efeito estufa.

p A tecnologia de plasma de microondas da H Quest catalisa reações de uma maneira inovadora e permite uma rápida — 1, 000 graus Fahrenheit por segundo - aquecimento de gás, o que não é possível com tecnologias de aquecimento convencionais, como caldeiras, fornos, trocadores de calor, ou aquecedores indutivos.

p Como a eletricidade renovável pode alimentar microondas, e a decomposição do metano não usa oxigênio, extrair hidrogênio do gás natural usando a tecnologia de plasma de micro-ondas pode ser completamente livre de emissões de gases de efeito estufa. Além disso, a tecnologia de plasma de micro-ondas permite modular, em pequena escala, implantação de baixo capital de plantas de conversão química, tornando a indústria química mais eficiente, eficaz, flexível e competitivo.

p Em um projeto recentemente premiado com a Coalizão Universitária para Pesquisa de Energia Fóssil Básica e Aplicada, patrocinado pelo DOE, Vander Wal está procurando desenvolver uma compreensão mais profunda de como as condições do processo dentro do reator do H Quest definem os parâmetros do produto de carbono.

p Vital para este esforço são as capacidades do Laboratório de Caracterização de Materiais, que possui uma grande variedade de técnicas de caracterização nas áreas de microscopia, espectroscopia, análise de superfície, e técnicas termofísicas que ajudarão a esclarecer por que diferentes materiais apresentam diferentes propriedades e comportamentos.

p O projeto, intitulado "Optimization of Microwave-Driven, Conversão assistida por plasma de metano em hidrogênio e grafeno, "visa identificar o projeto do reator e as condições de processo para a produção de hidrogênio com a capacidade de ajustar as características do produto de carbono e avaliar a conversão de metano, rendimentos do produto, e seletividade.

p O objetivo é desenvolver relações entre a forma de produto de carbono, características, e parâmetros de processo. Essas relações permitirão a produção seletiva de formas específicas de carbono e a capacidade de adequar suas propriedades físico-químicas. Os pesquisadores esperam que isso leve a tecnologias de hidrogênio de próxima geração que possam permitir o uso de recursos energéticos domésticos retidos, como reservas de gás natural encalhadas, ao mesmo tempo em que diversifica as matérias-primas de hidrogênio.

p Se for bem sucedido, também poderia reduzir os custos associados a produtos de energia de hidrogênio em grande escala; criar demanda de mercado, tecnologias, e infraestrutura para permitir a implantação de energia de hidrogênio; e usar gás natural doméstico para a fabricação de energia e produtos de carbono sintético.

p "O processamento de gás natural por micro-ondas representa a descarbonização de um combustível fóssil enquanto abre o caminho para a economia de hidrogênio, "Vander Wal disse.

p Também criaria um caminho para a limpeza, produtos de carbono de baixo custo. Grafeno, por exemplo, é um material mais forte do que o aço e mais condutor do que o cobre.

p "Grafeno, como um aditivo ao concreto, pode aumentar a resistência e durabilidade, contribuindo para a melhoria da infraestrutura enquanto sequestra a produção de carbono / grafeno em grande escala, "Vander Wal disse.

p Os pesquisadores do Penn State EMS Energy Institute e a H Quest também estão fazendo parceria por meio de um prêmio do Programa de Transferência de Tecnologia para Pequenas Empresas da National Science Foundation para testar o material da empresa nessas funções. Eles também estão investigando aplicações de plasma de microondas para converter carvão em produtos de carbono por meio de um prêmio do Laboratório de Tecnologia de Energia Nacional do DOE.

p A amplitude dos produtos derivados do plasma é imensa, de carvão ativado a plásticos imprimíveis em 3D e eletrodos de carbono industrial para fundição de aço e alumínio, as possibilidades são incomensuráveis, Skoptsov disse.

p "O carvão foi fundamental para a química orgânica industrial moderna, "ele acrescentou." Tantos produtos sintéticos - da aspirina ao náilon - foram produzidos a partir do carvão, antes de se tornar sinônimo de geração de eletricidade na era do petróleo barato nos anos 1950. Esta pesquisa revelará o verdadeiro valor de nossos recursos fósseis como fonte de materiais de alto desempenho, mas o fará de uma forma mais sustentável e econômica do que jamais foi possível. "