Une image au microscope électronique à balayage, la gauche, et une image au microscope électronique à transmission à haute résolution montrent un activé, échantillon de carbone poreux contenant du soufre. Le matériau créé à l'Université Rice peut être réglé pour équilibrer la séquestration du dioxyde de carbone et la sélectivité du méthane. Crédit :Barron Research Group/Rice University
Les producteurs de gaz naturel veulent tirer tout le méthane possible d'un puits tout en séquestrant le plus de dioxyde de carbone possible, et pourrait utiliser des filtres qui optimisent soit la capture du carbone, soit le flux de méthane. Aucun filtre ne fera les deux, mais grâce aux scientifiques de l'Université Rice, ils savent maintenant comment adapter les sorbants à leurs besoins.
De subtils ajustements dans la fabrication d'un sorbant carbone à base de polymère en font le matériau le plus connu soit pour capturer les gaz à effet de serre, soit pour équilibrer la capture du carbone avec la sélectivité du méthane, selon le chimiste de Rice Andrew Barron.
Les détails figurent dans un article publié ce mois-ci par le chercheur scientifique de Barron et Rice, Saunab Ghosh, dans le journal de la Royal Society of Chemistry. Énergie et carburants durables .
"Le défi est de capturer autant de carbone que possible tout en permettant au méthane de s'écouler à des pressions typiques en tête de puits, " a déclaré Barron. "Nous avons défini les paramètres dans une carte qui donne à l'industrie le meilleur ensemble d'options à ce jour."
Des travaux antérieurs du laboratoire ont déterminé que les filtres à charbon maximisaient leur capacité de capture avec une surface de 2, 800 mètres carrés par gramme et un volume de pores de 1,35 centimètre cube par gramme. Ils ont également découvert que le meilleur matériau de capture du carbone n'obtenait pas le meilleur compromis entre la sélectivité en carbone et en méthane. Avec le nouveau travail, ils savent accorder le matériel pour l'un ou l'autre, dit Barron.
« L'approche traditionnelle a consisté à fabriquer des matériaux avec un volume de pores toujours croissant et à associer cela à un meilleur adsorbant ; cependant, cela semble être un peu plus subtil, " il a dit.
Le graphique à gauche montre la dépendance de l'absorption de dioxyde de carbone à diverses pressions sur le potassium, oxygène et hydrogène (KOH) en polymère (polythiophène, ou Pth) rapport pondéral pour les sorbants activés à 700 degrés Celsius par des chercheurs de l'Université Rice. A droite, le graphique détermine l'absorption en équilibrant le volume total des pores et le rapport KOH/Pth. Les chercheurs ont découvert que les pores plus petits retiennent plus de dioxyde de carbone tandis que les pores plus grands équilibrent l'absorption et la sélectivité du méthane. Crédit : Saunab Ghosh/Université du riz
Le laboratoire a fabriqué ses derniers filtres en chauffant un précurseur de polymère puis en le traitant avec un réactif d'activation chimique du potassium, oxygène et hydrogène, alias KOH. Lorsque le polymère est cuit avec du KOH à des températures supérieures à 500 degrés Celsius (932 degrés Fahrenheit), il devient un filtre très poreux, plein de canaux nanométriques qui peuvent piéger le carbone.
Le rapport KOH/polymère pendant le traitement s'est avéré être le facteur critique pour déterminer les caractéristiques du filtre final. La fabrication de filtres avec un rapport de 3 à 1 de KOH sur polymère lui a donné une surface de 2, 700 mètres carrés par gramme et une absorption maximale de dioxyde de carbone sous des pressions de 5 à 30 bars. (Un bar est légèrement inférieur à la pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer.)
Les filtres fabriqués avec un rapport de 2 à 1 de KOH sur polymère avaient moins de surface-2, 200 mètres carrés par gramme et un volume de pores inférieur. Cela a abouti à la combinaison optimale d'absorption de dioxyde de carbone et de sélectivité pour le méthane.
La taille des pores était également critique. Les filtres avec une absorption maximale de carbone avaient la plus grande fraction de pores inférieure à 2 nanomètres. Des pores plus gros étaient meilleurs pour la sélectivité en méthane.
"Il semble que le volume total des pores soit moins important que la quantité relative de pores à des tailles spécifiques, " a déclaré Barron. "Notre objectif était de créer un guide pour les chercheurs et l'industrie afin de concevoir de meilleurs matériaux.
« Non seulement ces matériaux peuvent être utilisés pour la séparation du dioxyde de carbone du gaz naturel, mais ce sont aussi des modèles de séquestration du dioxyde de carbone dans une ressource naturelle. C'est l'orientation future de nos recherches."
