Mikrobiální elektrolýza zachycování uhlíku - Microbial electrolysis carbon capture

Mikrobiální elektrolýza zachycování uhlíku (MECC) je zachycování uhlíku pomocí techniky buňky mikrobiální elektrolýzy v době čištění odpadních vod. MECC vede k čistému negativnímu čištění odpadních vod z emisí uhlíku odstraněním oxidu uhličitého (CO2 ) během procesu ošetření ve formě kalcit (CaCO3) a výroba zisková H2 plyn.

Antropogenní emise oxidu uhličitého přispívají k významné regionální změně klimatu díky příspěvku sloučeniny k skleníkový plyn účinek v atmosféře. Většina cíle zmírňování odstranit CO2 z atmosféry jsou založeny na vysokých úrovních CO2 produkovaný fosilní palivo spalování jako základ pro výrobu energie. Při používání fosilních paliv se emitují CO2 a další toxické sloučeniny, jako je TAKX a NEX v procesu spalování. Ekonomický růst závisí na výrobě energie pro dopravu a průmyslové výrobě zboží a služeb, množství CO2 Předpokládá se, že emitované emise se v dohledné budoucnosti budou i nadále zvyšovat.

Čisté emise skleníkových plynů z antropogenních účinků

Zpracování odpadních vod odráží malé procento emisí skleníkových plynů. V současné době čistí odpadní voda „3% celkové elektřiny v USA“.[1] Pouze ve Spojených státech se ročně čistí nejméně 12 bilionů galonů odpadní vody, což přispívá k 1,5% celosvětových emisí skleníkových plynů.[1] Mikrobiální elektrolýza zachycování uhlíku (MECC) je proces, který přispívá k udržitelná energie praxe v soukromém i veřejném sektoru. MECC využívá vlastnosti spojené s odpadní vodou, jako je organický obsah, k odstranění oxidu uhličitého a produkci kalcit sraženina a plynný vodík.

Pozadí

Čistírna odpadních vod nese odpovědnost Iniciativa protokolu o skleníkových plynech z roku 2004 za emise skleníkových plynů při používání elektřiny k čištění odpadních vod.[2] Například je potřeba energie pro provzdušňovací proces, při kterém se uvolňují těkavé sloučeniny z vody, a také pro směšování a transport znečištěné a recyklované kapaliny pohybující se v průběhu celého procesu.[2] Samotný proces výroby elektřiny nezbytný pro čištění odpadních vod produkuje CO2, CH4 a oxid dusný.[2] V kroku aerobního čištění vody se uvolňuje N2O a CO2, podobný kroku usazování částic, a krok aktivovaného kalu uvolňuje oba CO2 a metan.[2]

Krok aktivovaného kalu při čištění odpadních vod uvolňuje sloučeniny, jako je metan a CO2.

Mikroby v odpadních vodách mají potenciál zvýšit mineralizaci CO2.[1] Mineralizace CO2 do CaCO3 znehybňuje CO2 které zabraňují únikům stabilizací podzemního tlaku a snížením propustnosti horninového kamene.[3] Podle principu Le Chatelier, zvýšení Ca2+ dostupnost a zvýšení pH zvýší rychlost mineralizace.[3] Negativně nabité povrchy na mikrobech mají vysokou afinitu pro kationty, jako je Ca2+ a, i když metabolické funkce, zvyšují saturaci CO2 v řešení.[1] Kromě toho bakteriální ureolýza (hydrolýza močoviny) zvyšuje pH roztoku.[3]

Technologie MECC využívající odpadní vodu

Mikrobiální elektrolytický proces využívá odpadní vodu jako zdroj nabitých iontů a výstupem plynného vodíku je mikrobiální elektrolýza.[1] Samotná odpadní voda poskytuje elektrolyty a používá se k rozpouštění minerálů.[1] V odpadní vodě dochází k reakcím, které váží CO2 molekuly k výrobě nových látek.[1]

Na anodě volaly mikroorganismy exoelektrogeny interagují s organickými sloučeninami a štěpí vodík a produkují CO2.[1] Výsledné elektrony cestují obvodem na katodu, kde redukují vodu, za vzniku H2 plyn a OH− ionty.[1] Zvýšené pH katody rozpouští silikátové minerály a uvolňuje kovové ionty, jako je Ca2+. Protony (H.+) vyrobené na anodě působí s těmito kovovými ionty k zachycení a konečné mineralizaci CO2 do uhličitan.[1] Díky vysoké produkci plynu H2 a schopnosti systému recyklovat až 95% plynu je výsledkem zisk 57-63 kJ / mol CO2 nebo zisk 63 kJ na mol CO2 zajat.[1]

CO2 oddělený a H2 vyráběné touto metodou a jako „pozitivní na čistou energii“ jsou konkrétně zmiňovány jako hlavní body procesu, stejně jako příležitost používat recyklované materiály, jako je HCO3− vyráběný MECC, který je užitečný pro čistírny odpadních vod.[1] Zbytky vody lze přenést na externí CO2 elektrárny na emise (například uhelná energie).[1] Výhodou procesu MECC oproti jiným alternativním přístupům, jako je anaerobní zažívání je, že MECC funguje dobře při nízkých teplotách, malém měřítku a nízkých koncentracích CHSK.[4] Sekce ekonomie popisuje současné ekonomické nevýhody tohoto procesu.

Ekonomika MECC

Zachycení mikrobiálního elektrolytického uhlíku musí být v současných zařízeních na čištění odpadních vod ještě implementováno, proto ekonomické náklady a přínosy představují současné projekce založené spíše na výzkumu technologie než na provozních datech. Lu a kol. 2015 shrnují potenciální ekonomické přínosy použití MECC ve svém článku z roku 2015, ve kterém definují metodu MECC.[1] Jejich výsledky odhadují „48 USD za tunu CO2 zmírněn “[1] čisté náklady na technologii MECC aplikovanou na čistírny odpadních vod. Tento odhad zohledňuje parazitní náklady na energii, provozní náklady a počáteční kapitál potřebný k provedení MECC, jakož i potenciální kompenzace nákladů, jako jsou příjmy z úpravy vody, H2 výroba a snížení spotřeby fosilních paliv pro komerční výrobu H2 a čištění odpadních vod.[1]

Předpokládané čisté náklady 48 USD na tunu zmírněného CO2 je nižší než odhadované náklady na absorpci zachycování uhlíku po spalování uhelné elektrárny pomocí MEA a geologické sekvestrace (65 $ / t-CO2),[5] což je v současné době nejplodnější technika zachycování a sekvestrace uhlíku (CCS). Projekce nákladů MECC je také nižší než cena mnoha dalších technologií CCS: přímý vzduch CO2 metody zachycení (přibližně 1 000 USD / t-CO2),[6] technika zachycování a skladování uhlíku v bioenergii (BECCS) (60–250 $ / t-CO2),[7] abiotická elektrolytická metoda rozpouštění křemičitanu (86 $ / t-CO2),[1][8] a zachycování uhlíku v elektrárně na práškové uhlí absorpční a membránovou technikou (70–270 $ / t-CO2).[9] Ekonomika přístupu MECC k zachycování uhlíku bude těžit z budoucího zkoumání optimalizace designu a použitých materiálů.[1] Je zapotřebí dalšího výzkumu k předpovědi rozsahu nákladů a neúspěchů souvisejících s inženýrstvím a provozováním funkčního systému MECC v současných zařízeních na čištění odpadních vod.[1]

Kritici MECC diskutují o neefektivnosti procesu, instalace, materiálů a možných neúspěchech, které mohou vést k ekonomickým ztrátám.[10] Ačkoli se předpokládá, že MECC bude levnější než jiné existující techniky zachycování uhlíku, je podstatně dražší (řádově 800krát dražší) než současná technologie čištění odpadních vod, a proto čelí značné překážce při provádění ve veřejných a soukromých čistírnách odpadních vod.[10] Kromě toho byla účinnost technologie mikrobiálních palivových článků, která je obdobou mikrobiálního systému používaného v MECC, kritizována za její nepředvídatelnost z důvodu spoléhání se na chemický a nutriční obsah měnící se odpadní vody a na zdraví živých mikrobů.[11][10] Neúčinné MFC vedou k vyšším provozním nákladům, protože kompenzace nákladů kolísá s odklonem od maximální účinnosti systému.[10]

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó p q r s Svůdná žena; Huang, Zhe; Rau, Greg H .; Ren, Zhiyong Jason (2015-06-24). „Mikrobiální zachycení elektrolytického uhlíku pro čištění odpadních vod negativně a energeticky pozitivně“. Věda o životním prostředí a technologie. 49 (13): 8193–8201. doi:10.1021 / acs.est.5b00875. ISSN  0013-936X. PMID  26076212.
  2. ^ A b C d Snips, Laura (srpen – prosinec 2009). „Kvantifikace emisí skleníkových plynů z čistíren odpadních vod“.
  3. ^ A b C Mitchell, Andrew C .; Dideriksen, Knud; Spangler, Lee H .; Cunningham, Alfred B .; Gerlach, Robin (červenec 2010). „Mikrobiálně vylepšené zachycování a skladování uhlíku pomocí zachycování minerálů a zachycování rozpustnosti“. Věda o životním prostředí a technologie. 44 (13): 5270–5276. doi:10.1021 / es903270w. ISSN  0013-936X. PMID  20540571.
  4. ^ Logan, Bruce E .; Volejte, Douglasi; Cheng, Shaoan; Hamelers, Hubertus V. M .; Sleutels, Tom H. J. A .; Jeremiasse, Adriaan W .; Rozendal, René A. (01.12.2008). "Mikrobiální elektrolýzní články pro vysokou produkci plynného vodíku z organických látek". Věda o životním prostředí a technologie. 42 (23): 8630–8640. doi:10.1021 / es801553z. ISSN  0013-936X. PMID  19192774.
  5. ^ Smit, Berend; Reimer, Jeffrey A; Oldenburg, Curtis M; Bourg, Ian C (2013-06-18). Úvod do zachycování a sekvestrace uhlíku. Berkeley Přednášky o energii. IMPERIAL COLLEGE PRESS. doi:10.1142 / p911. ISBN  9781783263271.
  6. ^ House, K. Z .; Baclig, A. C .; Ranjan, M .; van Nierop, E. A .; Wilcox, J .; Herzog, H. J. Ekonomická a energetická analýza zachycování CO2 z okolního vzduchu. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2011, 108 (51), 20428-20433.
  7. ^ IPCC, „Mezivládní panel pro změnu klimatu. Změna klimatu 2014: Zmírňování změny klimatu. Příspěvek pracovní skupiny III k páté hodnotící zprávě Mezivládního panelu pro změnu klimatu,“ [Edenhofer, O., R. Pichs-Madruga, Y Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth, A. Adler, I. Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S. Schlömer, C. von Stechow, T. Zwickel a JC Minx (eds.)], Cambridge University Press, Cambridge, Velká Británie a New York, NY, USA, 2014.
  8. ^ Rau, Greg H. a kol. „Přímé elektrolytické rozpouštění silikátových minerálů pro zmírňování CO2 ve vzduchu a produkci H2 s negativním obsahem uhlíku.“ Sborník Národní akademie věd 110.25 (2013): 10095-10100.
  9. ^ Mezivládní panel pro změnu klimatu (2007), „Shrnutí pro tvůrce politik“, Změna klimatu 2007, Cambridge University Press, s. 1–24, doi:10.1017 / cbo9780511546013.003, ISBN  9780511546013
  10. ^ A b C d McCarty, Perry L., Jaeho Bae a Jeonghwan Kim. „Domácí čištění odpadních vod jako čistý výrobce energie - čeho lze dosáhnout?“ (2011): 7100-7106.
  11. ^ Logan, B. E. Mikrobiální palivové články; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, 2008.

externí odkazy