Reuse of spent molecular sieves as adsorbents: a waste valorization strategy for low-temperature thermal energy storage

Energiesystemen veranderen. Terwijl de wereld streeft naar een verschuiving weg van fossiele brandstoffen, is de uitdaging niet alleen het opwekken van schone energie, maar het efficiënt opslaan ervan voor wanneer de zon niet schijnt of de wind niet waait. Een veelbelovende manier om warmte op te slaan is via een proces dat adsorptie wordt genoemd. Stel je een spons voor die waterdamp uit de lucht kan opzuigen; wanneer deze spons wordt verhit, laat hij het water los, en doet hij daarmee een aanzienlijke hoeveelheid thermische energie opnemen. Als dit proces herhaald kan worden, fungeert het materiaal als een batterij voor warmte, die energie vasthoudt tot het nodig is. De sleutel tot het succesvol laten werken hiervan is het vinden van materialen die goedkoop, stabiel en uitstekend zijn in het grijpen en loslaten van water. Decennialang hebben wetenschappers naar synthetische kristallen bekend als moleculaire zeven gezocht voor deze taak, maar deze materialen zijn duur om te maken en worden vaak als gevaarlijk afval weggegooid zodra ze hun oorspronkelijke doel in de industriële gasreiniging hebben gediend.

Een team onderzoekers in Argentinië heeft dit probleem omgezet in een kans. Ze onderzochten of de "gebruikte" moleculaire zeven — die al zijn gebruikt in installaties voor de zuivering van aardgas en momenteel worden weggegooid — een tweede leven konden krijgen als warmteopslagsmaterialen. In plaats van deze gebruikte kristallen als afval te behandelen, vroegen de onderzoekers zich af of hun interne structuur en het vermogen om water vast te houden intact waren gebleven na jaren van industriële dienst. Door deze gebruikte materialen te testen tegen verse, natuurlijke kristallen en een ander type synthetische verbinding, ontdekten zij dat het afvalmateriaal de essentiële eigenschappen behoudt die nodig zijn om als thermische batterij te functioneren. Deze bevinding suggereert een manier om een gevaarlijk industrieel bijproduct te transformeren tot een waardevolle hulpbron, wat een circulaire economie ondersteunt waarbij afval wordt omgevormd tot een instrument voor duurzame energie.

De studie begon met een specifiek type afval: gebruikte moleculaire zeven verzameld uit een gasverwerkingsfaciliteit in de olie- en gasindustrie. Deze faciliteiten gebruiken de zeven om aardgas te drogen en te zuiveren door water en andere onzuiverheden te verwijderen. Na verloop van tijd raken de zeven verzadigd en worden ze vervangen, wat in een enkele plant jaarlijks ongeveer 50 ton van dit materiaal genereert. Momenteel wordt dit afval geclassificeerd als gevaarlijk omdat het gevangen koolwaterstoffen bevat, wat leidt tot kosten voor afvoer en milieuproblemen. De onderzoekers namen een monster van dit gebruikte materiaal, dat een synthetisch kristal is gemaakt van silicium, aluminium en zuurstof, en onderwierpen het aan een reeks strenge tests. Om een eerlijke vergelijking te garanderen, testten ze ook een natuurlijk mineraalkristal dat in de aarde wordt gevonden en een in het laboratorium gemaakt composietmateriaal, waarbij ze onderzochten hoe elk reageerde op hitte en hoe ze met water omgingen.

De eerste stap was het bekijken van de fysieke structuur van de materialen. Met behulp van krachtige microscopen onderzochten de onderzoekers het oppervlak en de interne poriën van de gebruikte zeven. Ze ontdekten dat, ondanks hun lange dienst in een industriële installatie, de kristallen niet waren ingestort of hun poreuze natuur hadden verloren. De minuscule kanalen en gaatjes die watermoleculen in en uit laten gaan, waren nog steeds duidelijk zichtbaar en goed verbonden. Dit was een cruciale bevinding, omdat het vermogen om warmte op te slaan in dit systeem volledig afhangt van het vermogen van het materiaal om water in en uit te laten. De gebruikte kristallen zagen er opmerkelijk veel uit als nieuwe, wat suggereert dat de zware omstandigheden van gaszuivering de zeer kenmerkende eigenschappen die hen nuttig maken voor energieopslag niet hebben vernietigd.

Vervolgens analyseerde het team de chemische samenstelling van de materialen om te begrijpen hoe ze met water zouden interageren. Ze maten de verhouding tussen silicium en aluminium in de kristallen, een factor die bepaalt hoe sterk een materiaal watermoleculen aantrekt. De gebruikte moleculaire zeven vertoonden een hoog gehalte aan aluminium, wat een sterke elektrische aantrekkingskracht op water creëert, waardoor het materiaal zeer goed is in het opzuigen van vocht. In contrast hiermee had het natuurlijke mineraal dat ze testten minder aluminium en zou het water waarschijnlijk minder stevig vasthouden. Het derde materiaal, een composiet gemaakt van calciumfosfaat, gedroeg zich weer anders, waarbij het vertrouwde op oppervlaktechemie in plaats van de interne kristalstructuur om water vast te houden. De chemische analyse bevestigde dat de gebruikte zeven beschikten over het juiste soort "plakkerigheid" voor water, een vitale eigenschap voor het opvangen en vrijgeven van warmte-energie.

De onderzoekers gingen vervolgens over tot thermische tests, waarbij de materialen werden verhit om te zien hoe ze reageerden op temperatuurveranderingen. Ze gebruikten een techniek genaamd thermogravimetrische analyse, die meet hoeveel massa een monster verliest naarmate het heter wordt. Naarmate de temperatuur steeg, verloren alle drie de materialen aan gewicht, maar deden ze dat op verschillende manieren. Het natuurlijke mineraal was zeer stabiel en verloor zeer weinig massa, wat betekende dat het zijn water stevig vasthield maar het mogelijk niet gemakkelijk genoeg zou loslaten voor snelle energieopslag. Het composietmateriaal verloor een aanzienlijke hoeveelheid gewicht bij hogere temperaturen, maar dit kwam door de afbraak van de organische componenten, een teken dat het mogelijk niet stabiel genoeg is voor herhaaldelijk gebruik. De gebruikte moleculaire zeven vertoonden echter een gebalanceerd gedrag. Ze gaven water gestaag af terwijl ze werden verhit, waarbij ze op een gecontroleerde manier aan massa verloren zonder uit elkaar te vallen. Dit gaf aan dat ze verhit konden worden om opgeslagen energie vrij te geven en vervolgens afgekoeld konden worden om het weer te absorberen, een cyclus die essentieel is voor een herbruikbare warmtebatterij.

Om de betrokken energie bij dit proces te begrijpen, gebruikte het team een methode genaamd differentiële scan-calorimetrie, die de stroom van warmte in of uit een materiaal meet. Wanneer zij de gebruikte moleculaire zeven verhitten, observeerden zij een brede absorptie van warmte-energie. Deze warmte werd niet alleen gebruikt om het vaste materiaal op te warmen; het werd gebruikt om watermoleculen weg te trekken van het oppervlak van het kristal en uit de kleine poriën. Het feit dat deze warmteabsorptie plaatsvond over een breed temperatuurbereik suggereerde dat het water op veel verschillende manieren in het kristal werd vastgehouden, sommige zwakker en sommige sterker. Dit is in feite een goed punt voor energieopslag, aangezien het de mogelijkheid biedt dat het materiaal warmte geleidelijk absorbeert in plaats van alles in één keer. De metingen toonden aan dat de gebruikte zeven een aanzienlijke hoeveelheid thermische energie konden absorberen, vergelijkbaar met of zelfs beter dan het verse natuurlijke mineraal, wat bewees dat hun vermogen om warmte op te slaan niet verloren was gegaan tijdens hun eerste leven in de gasinstallatie.

De studie concludeerde dat deze weggegooide industriële kristallen niet slechts afval zijn, maar een levensvatbare hulpbron voor thermische energieopslag bij lage temperaturen. De gebruikte moleculaire zeven behielden hun structurele integriteit, hun chemische vermogen om water aan te trekken en hun thermische stabiliteit, zelfs na gebruik onder zware industriële omstandigheden. Ze konden worden verhit om water en energie vrij te geven, en vervolgens worden afgekoeld om water te absorberen en energie op te slaan, zonder af te breken. Deze bevinding biedt een praktisch pad vooruit voor de circulaire economie. In plaats van een gasverwerkingsfaciliteit elk jaar 50 ton gevaarlijk afval naar een stortplaats te sturen, zou diezelfde faciliteit datzelfde materiaal potentieel kunnen hergebruiken om de opslag van hernieuwbare energie te ondersteunen. Hoewel de onderzoekers opmerkten dat er meer werk nodig is om te testen hoe deze materialen presteren over vele jaren van herhaalde verhitting en koeling, zijn de eerste resultaten duidelijk: het afval van de ene industrie kan de energieoplossing voor een andere worden, waardoor een afvalprobleem wordt getransformeerd tot een duurzame activa.