Chemischer Kreislauf verwandelt Abfälle in Kraftstoff
Studie zeigt, dass ein kohlenstoffarmes System die chemische Effizienz steigert
Die Umwandlung von Umweltabfällen in nützliche chemische Ressourcen könnte neuen Forschungsergebnissen zufolge viele der unvermeidlichen Probleme lösen, die sich aus den wachsenden Mengen an weggeworfenen Kunststoffen, Papier und Lebensmittelabfällen ergeben.
In einem bedeutenden Durchbruch haben Forscher der Ohio State University eine Technologie entwickelt, mit der Materialien wie Kunststoffe und landwirtschaftliche Abfälle in Synthesegas umgewandelt werden können, eine Substanz, die häufig zur Herstellung von Chemikalien und Kraftstoffen wie Formaldehyd und Methanol verwendet wird.
Anhand von Simulationen testeten die Wissenschaftler, wie gut das System Abfälle abbauen kann, und fanden heraus, dass ihr Ansatz, der als chemischer Kreislauf bezeichnet wird, qualitativ hochwertiges Synthesegas effizienter herstellen kann als andere ähnliche chemische Verfahren. Insgesamt spart dieser verfeinerte Prozess Energie und ist sicherer für die Umwelt, so Ishani Karki Kudva, Hauptautorin der Studie und Doktorandin in Chemie- und Biomolekulartechnik an der Ohio State University.
"Wir verwenden Synthesegas für wichtige Chemikalien, die wir im täglichen Leben benötigen", so Kudva. "Die Verbesserung seiner Reinheit bedeutet, dass wir es auf vielfältige Weise nutzen können.
Bei den meisten kommerziellen Verfahren wird heute ein Synthesegas mit einem Reinheitsgrad von 80 bis 85 % erzeugt. Das Team von Kudva erreichte jedoch einen Reinheitsgrad von rund 90 % in einem Verfahren, das nur wenige Minuten dauert.
Die Studie stützt sich auf jahrzehntelange Forschung an der Ohio State University unter der Leitung von Liang-Shih Fan, einem angesehenen Universitätsprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik, der die Studie beriet. In dieser früheren Forschung wurde die Technologie des chemischen Kreislaufs eingesetzt, um fossile Brennstoffe, Klärgas und Kohle in Wasserstoff, Synthesegas und andere nützliche Produkte umzuwandeln.
In der neuen Studie besteht das System aus zwei Reaktoren: einem Fließbettreduzierer, in dem die Abfälle mit Hilfe von Sauerstoff aus Metalloxidmaterial abgebaut werden, und einem Wirbelschichtbrenner, der den verlorenen Sauerstoff wieder auffüllt, damit das Material regeneriert werden kann. Die Studie zeigte, dass die Reaktoren mit diesem Waste-to-Fuel-System bis zu 45 % effizienter arbeiten und dennoch etwa 10 % saubereres Synthesegas erzeugen können als andere Methoden.
Die Studie wurde kürzlich in der Zeitschrift Energy and Fuels veröffentlicht.
Einem Bericht der Environmental Protection Agency zufolge wurden 2018 in den USA 35,7 Millionen Tonnen Kunststoffe erzeugt, von denen etwa 12,2 % zu den festen Siedlungsabfällen gehören, wie z. B. Kunststoffbehälter, Taschen, Geräte, Möbel, landwirtschaftliche Rückstände, Papier und Lebensmittel.
Da Kunststoffe zersetzungsresistent sind, können sie leider lange in der Natur verbleiben und lassen sich nur schwer vollständig abbauen und recyceln. Auch die konventionelle Abfallbewirtschaftung, wie Deponierung und Verbrennung, birgt Risiken für die Umwelt.
Jetzt stellen die Forscher eine alternative Lösung vor, um die Verschmutzung einzudämmen. So wurde beispielsweise gemessen, wie viel Kohlendioxid ihr System im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ausstoßen würde, und die Ergebnisse zeigten, dass es die Kohlendioxidemissionen um bis zu 45 % reduzieren könnte.
Das Design ihres Projekts ist nur eines von vielen im Chemiesektor, die durch den dringenden Bedarf an nachhaltigeren Technologien angetrieben werden, sagte Shekhar Shinde, Mitautor der Studie und Doktorand in Chemie- und Biomolekulartechnik an der Ohio State.
Im Fall dieser Studie könnte ihre Arbeit dazu beitragen, die Abhängigkeit der Gesellschaft von fossilen Brennstoffen drastisch zu verringern.
"Es gab eine drastische Veränderung in Bezug auf das, was vorher gemacht wurde und was man jetzt versucht, in Bezug auf die Dekarbonisierung der Forschung zu tun", sagte er.
Während frühere Technologien nur Biomasseabfälle und Kunststoffe getrennt filtern konnten, hat die Technologie des Teams auch das Potenzial, mehrere Arten von Materialien gleichzeitig zu verarbeiten, indem sie die für die Umwandlung erforderlichen Bedingungen kontinuierlich mischt, heißt es in der Studie.
Sobald die Simulationen des Teams mehr Daten liefern, hoffen sie, die Marktfähigkeit des Systems zu testen, indem sie über einen längeren Zeitraum Experimente mit anderen einzigartigen Komponenten durchführen.
"Unsere nächste Priorität ist die Ausweitung des Prozesses auf die festen Siedlungsabfälle, die wir von den Recyclingzentren erhalten", so Kudva. "Die Arbeit im Labor geht noch weiter, um diese Technologie zu kommerzialisieren und die Industrie zu dekarbonisieren.
Weitere Co-Autoren der Ohio State University sind Rushikesh K. Joshi, Tanay A. Jawdekar, Sudeshna Gun, Sonu Kumar, Ashin A Sunny, Darien Kulchytsky und Zhuo Cheng. Die Studie wurde von Buckeye Precious Plastic unterstützt.
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Originalveröffentlichung
Ishani Karki Kudva, Shekhar G. Shinde, Rushikesh K. Joshi, Tanay A. Jawdekar, Sudeshna Gun, Sonu Kumar, Ashin A Sunny, Darien Kulchytsky, Zhuo Cheng, Liang-Shih Fan; "Low Carbon Formaldehyde Generation from Chemical Looping Gasification of Heterogeneous Solid Waste"; Energy & Fuels, Volume 38, 2024-10-14
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