生物燃料研究人员的圣杯是创造一个自我维持的过程，它可以将来自污水、粮食作物、海藻和其他可再生碳源的废物转化为燃料，与此同时还能使废碳不进入我们的环境和水中。尽管在将此类垃圾转化为可用燃料方面已经取得了很多进展，但用清洁能源完成循环已被证明是一个难以破解的难题。
现在，美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)的一个研究小组已经设计出一个系统来完成这个任务。PNNL的电催化氧化燃料回收系统将以前被认为是不可回收的、稀释的“废”碳转化为有价值的化学品，同时还产生有用的氢气。由于使用了可再生能源，该过程是碳中性的，甚至可能是碳负性的。
使这一切发挥作用的关键则是一个设计优雅的催化剂，它结合了数十亿个无限小的金属颗粒和电流并可在室温和压力下加速能量转换。
PNNL化学工程师和项目负责人Juan A. Lopez-Ruiz说道：“目前使用的处理生物原油的方法需要高压氢气，这通常是由天然气产生的。我们的系统可以自己产生氢气，同时利用多余的可再生电力在接近大气的条件下处理废水，进而使其操作成本低廉并可能实现碳中和。”
一个饥饿的系统
研究小组在实验室中使用来自工业规模的生物质转化过程的废水样本对该系统进行了测试，在连续运行了200多个小时并没有发现任何效率损失的情况。唯一的制约因素是，研究小组的废水样本已经用完了。
“这是一个饥饿的系统，”Lopez-Ruiz说道，“该过程的反应速度跟你试图转化的废碳数量成正比。如果你有废水不断循环通过它，它可以无限期地运行。”
据Lopez-Ruiz介绍称，这个正在申请专利的系统解决了几个问题，这些问题一直困扰着使生物质成为经济上可行的再生能源的努力。
“我们知道如何将生物质变成燃料，”Lopez-Ruiz说道，“但我们仍在努力使这一过程具有能源效率、经济性和环境可持续性，特别是对于小规模、分布式的规模。这个系统依靠电力运行，电力可以来自可再生资源。而且它自己产生热量和燃料以保持其运行。它有可能完成能源回收循环。”
Lopez-Ruiz继续补充道：“随着电网开始将其能源来源转向整合更多的可再生能源。依靠电力满足我们的能源需求变得越来越有意义。为此，我们开发了一种工艺，利用电力将废水中的碳化合物转化为有用的产品并与此同时去除掉氮和硫化合物等杂质。”
缩小能源差距
水热液化(HTL)是一种将湿废碳转化为燃料的非常有效的方法。这个过程，从本质上讲，缩短了生产天然化石燃料所需的时间，其可以在几个小时而不是几千年内将湿生物质转化为能量密集的生物原油。然而该过程是不完整的，因为作为该过程的一部分产生的废水需要进一步处理，这样可以方便从本来是一种责任的东西中获得附加值。
Lopez-Ruiz说道：“我们意识到，从废水中去除有机分子的相同(电)化学反应还可用于在室温和大气压下直接提升生物原油。”
这就是PNNL的新工艺发挥作用的地方。未提炼的生物原油和废水可以直接从HTL输出流或其他湿废物中输入该系统。PNNL工艺由所谓的流动池组成，废水和生物原油流经流动池，然遇到由电流产生的带电环境。
带正电的一半--被称为阳极--包含一个涂有纳米氧化钌颗粒的薄钛箔。在这里，废物流经历了催化转化，生物原油被转化为有用的油和石蜡。与此同时，水溶性污染物如含氧和含氮化合物经过化学转化变成氮气和氧气--大气的正常成分。从该系统中出现的废水在去除污染物后可以被送回HTL工艺中。
在流动电池带负电的另一半即阴极则发生了不同的反应，其可以使有机分子加氢或产生氢气--一种新兴的能源，流动电池开发者将其视为一种潜在的燃料来源。
“我们认为该过程产生的氢气副产品是一种净增值。当收集并作为燃料输入系统时，它可以使系统在较少的能源投入下运行，并有可能使其比目前的生物质转换操作更经济和碳中性，”Lopez-Ruiz说道。
化学转化的速度则为该系统提供了一个额外的好处。Lopez-Ruiz表示，
他们在速率比较看到，在大气条件下用电化学系统获得的转化率是在中等氢气压力和温度下用热系统获得的转化率的100多倍。
减少稀土金属的使用
许多商业技术的一个重要缺点是它们对稀土金属的依赖，有时被称为铂族金属。这些元素的全球供应链主要依赖于过时的提取技术，而这些技术都是能源密集型的，它们需要使用大量的水并产生危险废物。根据将美国供应作为首要任务的能源部，在35种关键材料中的14种和其他17种材料中的一半以上，进口占了该国供应的100%。
该系统通过采用一种独特的方法沉积负责化学转换的金属的纳米颗粒来解决这一问题。这些颗粒具有较大的表面积只需要较少的金属来完成其工作。Lopez-Ruiz表示：“我们发现，相对于金属薄膜和金属箔，使用金属纳米颗粒减少了金属含量并提高了电化学性能。”这种新型催化剂所需的贵金属在这种情况下则是钌，这是类似工艺通常所需的贵金属1/1000。具体来说，实验室规模的流动反应器使用的电极含有约5到15毫克的钌，而类似的反应器则需要约10克的铂。
关于那些无用的碳化合物
研究小组还指出，PNNL工艺可以处理小型水溶性碳化合物--在当前HTL工艺的废水中发现的副产品--以及许多其他工业工艺。在低浓度的废水流中，约有一打这种难以处理的小型碳化合物。截止到目前，还没有成本效益高的技术来处理它们。这些短链碳化合物如丙酸和丁酸则能在新开发的工艺中会转化为燃料，像乙烷、丙烷、己烷和氢气。
初步的成本分析显示，运行该系统所需的电力成本可以通过在低电压下运行，其可利用丙烷或丁烷产生热量和出售产生的多余氢气来完全抵消。
为美联邦政府管理和运营PNNL的Battelle已经为该电化学工艺申请了美国专利。CogniTek管理系统(CogniTek)是一家将能源产品和技术解决方案推向市场的全球性公司，它已经从PNNL获得了该技术的许可。CogniTek将把PNNL的废水处理技术整合到CogniTek及其战略伙伴正在开发和商业化的专利生物质处理系统中。他们的目标是生产生物燃料，如生物柴油和生物航空燃料。除了商业化协议外，PNNL和CogniTek将合作将废水处理反应器从实验室规模扩大到示范规模。
CogniTek CEO Michael Gurin表示：“我们CogniTek公司对有机会将PNNL的技术跟我们的核心专利和正在申请专利的脱碳技术结合起来加以推广感到兴奋。”
这项被称为“清洁可持续电化学处理技术(CleanSET)”的技术可供其他公司或有兴趣开发该技术的市政污水处理厂、奶牛场、酿酒厂、化学品制造商及食品和饮料生产商等特定行业使用的公司或市政当局许可。
营业执照公示信息