Une seule étape, Le procédé catalytique amélioré par plasma pour convertir le dioxyde de soufre en soufre pur à partir des flux de gaz résiduaires peut fournir une solution prometteuse, alternative plus écologique à la thermique multi-étages actuelle, procédés catalytiques et absorbants, selon les scientifiques de Penn State.

« Les dioxydes de soufre peuvent causer des problèmes environnementaux importants comme les pluies acides, et il peut provoquer une acidification de la mer, " a déclaré Xiaoxing Wang, professeur agrégé de recherche au Penn State EMS Energy Institute. "Le soufre peut également contribuer à la formation de fines particules dans l'air que nous respirons, qui peut être plus grave que le dioxyde de soufre lui-même."

On estime que l'exposition aux particules cause 4,2 millions de décès prématurés et plus de 100 millions d'années de vie corrigées de l'incapacité, ce qui mesure les années perdues pour cause de maladie, d'invalidité ou de décès - selon l'étude Lancet Global Burden of Diseases, publié en 2015.

Selon Wang, les méthodes de désulfuration actuelles peuvent éliminer avec succès le dioxyde de soufre des flux de gaz résiduaires, mais non sans inconvénients importants.

Technologies de désulfuration des fumées, par exemple, sont les méthodes les plus utilisées pour capturer le dioxyde de soufre, mais ces processus créent une grande quantité de déchets solides sous forme de sulfate de métal qui nécessite une élimination. Par ailleurs, ces procédés produisent des eaux usées qui nécessitent un traitement supplémentaire, rendant la méthode globale coûteuse et peu respectueuse de l'environnement.

Alternativement, le dioxyde de soufre peut être réduit en soufre élémentaire solide par catalyse - une réaction chimique provoquée par un catalyseur et généralement un agent réducteur tel que l'hydrogène, méthane, ou monoxyde de carbone, puis utilisé comme matière première pour des choses telles que les engrais. Cependant, des températures élevées sont normalement nécessaires dans le processus catalytique traditionnel pour atteindre des niveaux de conversion élevés. Ce n'est pas idéal car il consomme beaucoup d'énergie et il y a une perte d'activité du catalyseur, selon les scientifiques.

En raison de ces défauts, Wang et ses collègues ont testé une nouvelle technologie, une étape, procédé catalytique assisté par plasma à basse température qui élimine le besoin de températures élevées et crée beaucoup moins de déchets que les technologies FGD.

Pour tester ce processus, l'équipe a chargé un catalyseur de sulfure de fer dans un réacteur à lit fixe. Ensuite, ils ont introduit les mélanges d'hydrogène et de dioxyde de soufre gazeux, qui a traversé le lit de catalyseur à environ 300 degrés Fahrenheit. Ils ont ensuite allumé le plasma non thermique et les réactions ont immédiatement commencé à se produire.

Une fois le processus terminé, ils ont analysé les échantillons pour voir la quantité de dioxyde de soufre contenue dans le gaz et la quantité d'hydrogène consommée. Ils ont également collecté et analysé le soufre solide, qui s'accumule au fond du réacteur. Ils ont publié leurs résultats dans Catalyse ACS et un récent numéro du Journal de Catalyse.

"La température que nous avons utilisée, 150 degrés C (environ 300 degrés F), est supérieur au point de fusion du soufre pour éviter le dépôt de soufre sur le catalyseur, " Wang a dit. " Grâce à ce processus, le catalyseur présente une très excellente stabilité. Lorsqu'il est exécuté pendant plusieurs heures, nous ne voyons aucune désactivation. L'activité et la sélectivité restent les mêmes."

Les chercheurs ont également découvert que ce processus favorisait considérablement la réduction du dioxyde de soufre à basse température, amélioration de la conversion de 148 % à 200 % et de 87 à 120 % en utilisant de l'hydrogène et du méthane, respectivement.

Sean Knecht, professeur assistant à l'École d'ingénierie de conception, Technologie et programmes professionnels, a déclaré que le NTP fonctionne parce que les électrons hautement énergétiques interagissent avec les molécules de gaz pour produire des espèces réactives - des radicaux, ions et molécules excitées, permettant diverses réactions chimiques à basse température.

"Le résultat est que les électrons sont capables d'initier ce qui semble être des réactions chimiques thermodynamiquement défavorables par dissociation et excitation de réactifs à des températures beaucoup plus basses que la catalyse thermique, " a déclaré Knecht. " Si ces réactions peuvent être entreprises à des températures beaucoup plus basses que celles typiques de la catalyse thermique, comme nous l'avons montré, alors la puissance absorbée par les futurs systèmes est considérablement réduite, ce qui est un gros problème."

Wang a ajouté que l'utilisation du plasma leur permet d'obtenir des performances optimales en utilisant seulement 10 watts d'électricité. Un autre avantage est que l'énergie renouvelable, comme l'éolien ou le solaire, peut être facilement appliqué à ce processus pour alimenter le plasma.

Les chercheurs souhaitent maintenant mieux comprendre comment le plasma contribue au processus de catalyse et cherchent à développer un catalyseur encore plus efficace pour le processus.

« Un défi actuel que nous nous efforçons de relever consiste à isoler davantage les effets du plasma par rapport aux effets du catalyseur et les aspects synergiques, " a déclaré Knecht. " Nous examinons actuellement certaines options de spectroscopie de surface et à un moment donné, combinaison avec la modélisation informatique. Les réunir peut fournir une compréhension plus holistique de la physique et de la chimie en jeu. »

Si le procédé est commercialisable, il a le potentiel de remplacer en grande partie les technologies FDG actuelles.

"C'est très bénéfique pour l'énergie et l'environnement, " a déclaré Wang. " Notre processus économise de l'énergie, réduit les déchets et économise l'eau. C'est très transformationnel."