ลองจินตนาการถึงอนาคตที่ยานพาหนะไม่พึ่งพาน้ำมันเบนซินที่ก่อให้เกิดมลพิษอีกต่อไป แต่ขับเคลื่อนด้วยก๊าซธรรมชาติที่สะอาดและมีประสิทธิภาพแทน การเปลี่ยนแปลงนี้อาจช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้อย่างมากและปรับปรุงคุณภาพอากาศ ส่วนประกอบหลักของก๊าซธรรมชาติคือมีเทน ซึ่งมีอยู่มากมายและผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์น้อยกว่าเมื่อเผาไหม้เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิลชนิดอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การจัดเก็บและขนส่งมีเทนนั้นมีความท้าทายอย่างมาก มีเทนต้านทานการทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง และการจัดเก็บภายใต้แรงดันสูงมีค่าใช้จ่ายสูง อาจมีวิธีแก้ปัญหาที่ประหยัดและสะดวกกว่าสำหรับการจัดเก็บมีเทนหรือไม่?
คำตอบดูเหมือนจะเป็นใช่ นักวิทยาศาสตร์กำลังสำรวจการใช้วัสดุที่มีรูพรุนเพื่อดูดซับและจัดเก็บมีเทน ซึ่งเป็นวิธีแก้ปัญหาที่แสดงให้เห็นถึงความหวังอย่างมาก บทความนี้จะตรวจสอบความท้าทายในการจัดเก็บมีเทนและวิธีการที่วัสดุที่มีรูพรุนอาจปูทางไปสู่อนาคตพลังงานที่สะอาดกว่า
น้ำมันเบนซิน ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงหลักในการขนส่งในปัจจุบัน ก่อให้เกิดมลพิษจำนวนมากในระหว่างการเผาไหม้และการระเหย รวมถึงไนโตรเจนออกไซด์ ซัลเฟอร์ออกไซด์ คาร์บอนมอนอกไซด์ และสารเคมีก่อมะเร็งในปริมาณเล็กน้อย มลพิษเหล่านี้ไม่เพียงแต่คุกคามสุขภาพของมนุษย์เท่านั้น แต่ยังทำให้ความเสื่อมโทรมของสิ่งแวดล้อมรุนแรงขึ้นอีกด้วย ด้วยเหตุนี้ การค้นหาแหล่งพลังงานทางเลือกที่สะอาดและมีประสิทธิภาพจึงกลายเป็นเรื่องเร่งด่วน ก๊าซธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีเทน ปรากฏเป็นสารทดแทนในอุดมคติเนื่องจากมีสำรองจำนวนมาก ต้นทุนต่ำ และการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ค่อนข้างต่ำเมื่อเผาไหม้
อย่างไรก็ตาม การใช้มีเทนไม่ใช่เรื่องง่าย ด้วยอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำมาก (191 K) และแรงดันวิกฤตสูง (46.6 บาร์) มีเทนต้านทานการทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิแวดล้อม ซึ่งเพิ่มต้นทุนการขนส่งอย่างมาก ดังนั้น การหาวิธีการจัดเก็บที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการนำก๊าซธรรมชาติมาใช้อย่างแพร่หลาย
เพื่อเอาชนะความท้าทายในการจัดเก็บมีเทน นักวิจัยได้พัฒนาแนวทางหลายอย่าง โดยมีสามวิธีหลักที่โดดเด่น:
เมื่อเทียบกับ CNG ซึ่งต้องใช้คอมเพรสเซอร์หลายขั้นตอนราคาแพงและถังแรงดันสูงหนัก และ LNG ซึ่งขึ้นอยู่กับระบบไครโอเจนิคที่ซับซ้อน การจัดเก็บ ANG โดยใช้วัสดุที่มีรูพรุนดูเหมือนจะเป็นวิธีแก้ปัญหาในระยะใกล้ที่เหมาะสมที่สุด ทำงานภายใต้สภาวะแรงดันและอุณหภูมิที่เหมาะสมโดยไม่มีข้อกำหนดด้านพลังงานเพิ่มเติม ทำให้มีความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจมากขึ้น
โครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOFs) เป็นวัสดุที่มีรูพรุนเป็นผลึกซึ่งประกอบด้วยไอออนของโลหะและตัวเชื่อมต่ออินทรีย์ที่สร้างโครงสร้างเครือข่ายเป็นระยะ วัสดุเหล่านี้มีพื้นที่ผิวสูงมาก ขนาดรูพรุนและโครงสร้างที่ปรับแต่งได้ และการทำงานที่ง่าย ทำให้มีความหลากหลายสูงสำหรับการใช้งานในการจัดเก็บก๊าซ การแยก และการเร่งปฏิกิริยา
การโต้ตอบระหว่าง MOFs และมีเทนอยู่ในระดับปานกลาง ทำให้สามารถจัดเก็บมีเทนได้ที่อุณหภูมิห้องและแรงดันค่อนข้างสูง ซึ่งหมายความว่าสามารถจัดเก็บมีเทนได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้สภาวะใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อม ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานและต้นทุนอุปกรณ์
ในปี 2015 Eddaoudi และเพื่อนร่วมงานรายงานวัสดุ MOF ที่เรียกว่า Alsoc-MOF-1 สำหรับการจัดเก็บมีเทน ที่ 298 K และ 65 บาร์ แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการดูดซับมีเทนทั้งหมด 0.42 กรัม/กรัม และความสามารถในการทำงาน (5-65 บาร์) 0.37 กรัม/กรัม ซึ่งบ่งบอกถึงประสิทธิภาพในการจัดเก็บมีเทนที่แข็งแกร่ง
โดยทั่วไป การพัฒนา MOFs ที่มีขนาดรูพรุนที่เหมาะสมและการรวมกลุ่มการทำงานหรือไซต์สามารถเพิ่มความจุมีเทนเชิงปริมาตรได้ นอกจากนี้ MOFs ที่มีปริมาตรรูพรุนและพื้นที่ผิวที่มากกว่ามักจะแสดงความจุมีเทนเชิงน้ำหนักที่สูงกว่า สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าผ่านการออกแบบและการสังเคราะห์ MOFs อย่างระมัดระวังด้วยโครงสร้างและฟังก์ชันเฉพาะ ความสามารถในการจัดเก็บมีเทนสามารถปรับปรุงได้ต่อไป
โครงสร้างอินทรีย์โควาเลนต์ (COFs) เป็นวัสดุที่มีรูพรุนเป็นผลึกที่สร้างจากธาตุเบา (เช่น B, C, O, H และ Si) ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง เช่นเดียวกับ MOFs COFs มีพื้นที่ผิวสูง ปริมาตรรูพรุนขนาดใหญ่ และโครงสร้างรูพรุนที่ปรับแต่งได้ ที่สำคัญ COFs มีความหนาแน่นต่ำมาก จัดอยู่ในกลุ่มวัสดุผลึกที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดที่รู้จัก (ต่ำถึง 0.17 กรัม/ซม.³) สิ่งนี้ทำให้ COFs มีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในการจัดเก็บก๊าซ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่วัสดุน้ำหนักเบาเป็นสิ่งจำเป็น
โดยทั่วไป COFs สามมิติ (3D) ทำงานได้ดีกว่า COFs สองมิติ (2D) ในการดูดซับมีเทนเนื่องจากโครงสร้างรูพรุนที่ซับซ้อนกว่าและปริมาตรรูพรุนที่ใหญ่กว่า ซึ่งให้ไซต์ดูดซับมีเทนมากขึ้น
ตัวอย่างเช่น 3D COF-102 มีปริมาตรรูพรุน 1.55 ซม.³/กรัม ในขณะที่ COF-103 มี 1.54 ซม.³/กรัม ภายใต้สภาวะ 35 บาร์และ 298 K พวกมันแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการดูดซับมีเทนแรงดันสูง 187 มก./กรัม (18.7 wt%) และ 175 มก./กรัม (17.5 wt%) ตามลำดับ—สูงสุดในบรรดา COFs ในทางตรงกันข้าม 2D COF-5 ที่มีปริมาตรรูพรุน 1.07 ซม.³/กรัม แสดงความสามารถในการดูดซับมีเทน 89 มก./กรัม (8.9 wt%) ภายใต้สภาวะเดียวกัน ซึ่งสูงที่สุดในบรรดา 2D COFs
การค้นพบเหล่านี้เน้นย้ำถึงศักยภาพที่สำคัญของ COFs สำหรับการจัดเก็บมีเทน โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะแรงดันสูง ด้วยการออกแบบและสังเคราะห์ COFs ด้วยโครงสร้างรูพรุนและฟังก์ชันเฉพาะ ความสามารถในการจัดเก็บมีเทนสามารถปรับปรุงได้ต่อไปสำหรับการใช้งานจริง
แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีชี้ให้เห็นว่า MOFs และ COFs จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการจัดเก็บมีเทน พวกเขาอาจกลายเป็นส่วนประกอบสำคัญในระบบพลังงานสะอาดในอนาคต ซึ่งมีส่วนช่วยในการพัฒนาอย่างยั่งยืน
มีเทนเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกที่สะอาดและมีประสิทธิภาพพร้อมศักยภาพมหาศาล อย่างไรก็ตาม ความท้าทายในการจัดเก็บและการขนส่งยังคงมีอยู่ การใช้วัสดุที่มีรูพรุน เช่น MOFs และ COFs เพื่อดูดซับมีเทนนำเสนอวิธีแก้ปัญหาที่มีแนวโน้มสูง ด้วยการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง อุปสรรคที่มีอยู่สามารถเอาชนะได้ ทำให้สามารถจัดเก็บและนำมีเทนไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ—ขั้นตอนสำคัญสู่อนาคตพลังงานที่สะอาดและยั่งยืนมากขึ้น
ลองจินตนาการถึงอนาคตที่ยานพาหนะไม่พึ่งพาน้ำมันเบนซินที่ก่อให้เกิดมลพิษอีกต่อไป แต่ขับเคลื่อนด้วยก๊าซธรรมชาติที่สะอาดและมีประสิทธิภาพแทน การเปลี่ยนแปลงนี้อาจช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้อย่างมากและปรับปรุงคุณภาพอากาศ ส่วนประกอบหลักของก๊าซธรรมชาติคือมีเทน ซึ่งมีอยู่มากมายและผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์น้อยกว่าเมื่อเผาไหม้เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิลชนิดอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การจัดเก็บและขนส่งมีเทนนั้นมีความท้าทายอย่างมาก มีเทนต้านทานการทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง และการจัดเก็บภายใต้แรงดันสูงมีค่าใช้จ่ายสูง อาจมีวิธีแก้ปัญหาที่ประหยัดและสะดวกกว่าสำหรับการจัดเก็บมีเทนหรือไม่?
คำตอบดูเหมือนจะเป็นใช่ นักวิทยาศาสตร์กำลังสำรวจการใช้วัสดุที่มีรูพรุนเพื่อดูดซับและจัดเก็บมีเทน ซึ่งเป็นวิธีแก้ปัญหาที่แสดงให้เห็นถึงความหวังอย่างมาก บทความนี้จะตรวจสอบความท้าทายในการจัดเก็บมีเทนและวิธีการที่วัสดุที่มีรูพรุนอาจปูทางไปสู่อนาคตพลังงานที่สะอาดกว่า
น้ำมันเบนซิน ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงหลักในการขนส่งในปัจจุบัน ก่อให้เกิดมลพิษจำนวนมากในระหว่างการเผาไหม้และการระเหย รวมถึงไนโตรเจนออกไซด์ ซัลเฟอร์ออกไซด์ คาร์บอนมอนอกไซด์ และสารเคมีก่อมะเร็งในปริมาณเล็กน้อย มลพิษเหล่านี้ไม่เพียงแต่คุกคามสุขภาพของมนุษย์เท่านั้น แต่ยังทำให้ความเสื่อมโทรมของสิ่งแวดล้อมรุนแรงขึ้นอีกด้วย ด้วยเหตุนี้ การค้นหาแหล่งพลังงานทางเลือกที่สะอาดและมีประสิทธิภาพจึงกลายเป็นเรื่องเร่งด่วน ก๊าซธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีเทน ปรากฏเป็นสารทดแทนในอุดมคติเนื่องจากมีสำรองจำนวนมาก ต้นทุนต่ำ และการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ค่อนข้างต่ำเมื่อเผาไหม้
อย่างไรก็ตาม การใช้มีเทนไม่ใช่เรื่องง่าย ด้วยอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำมาก (191 K) และแรงดันวิกฤตสูง (46.6 บาร์) มีเทนต้านทานการทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิแวดล้อม ซึ่งเพิ่มต้นทุนการขนส่งอย่างมาก ดังนั้น การหาวิธีการจัดเก็บที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการนำก๊าซธรรมชาติมาใช้อย่างแพร่หลาย
เพื่อเอาชนะความท้าทายในการจัดเก็บมีเทน นักวิจัยได้พัฒนาแนวทางหลายอย่าง โดยมีสามวิธีหลักที่โดดเด่น:
เมื่อเทียบกับ CNG ซึ่งต้องใช้คอมเพรสเซอร์หลายขั้นตอนราคาแพงและถังแรงดันสูงหนัก และ LNG ซึ่งขึ้นอยู่กับระบบไครโอเจนิคที่ซับซ้อน การจัดเก็บ ANG โดยใช้วัสดุที่มีรูพรุนดูเหมือนจะเป็นวิธีแก้ปัญหาในระยะใกล้ที่เหมาะสมที่สุด ทำงานภายใต้สภาวะแรงดันและอุณหภูมิที่เหมาะสมโดยไม่มีข้อกำหนดด้านพลังงานเพิ่มเติม ทำให้มีความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจมากขึ้น
โครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOFs) เป็นวัสดุที่มีรูพรุนเป็นผลึกซึ่งประกอบด้วยไอออนของโลหะและตัวเชื่อมต่ออินทรีย์ที่สร้างโครงสร้างเครือข่ายเป็นระยะ วัสดุเหล่านี้มีพื้นที่ผิวสูงมาก ขนาดรูพรุนและโครงสร้างที่ปรับแต่งได้ และการทำงานที่ง่าย ทำให้มีความหลากหลายสูงสำหรับการใช้งานในการจัดเก็บก๊าซ การแยก และการเร่งปฏิกิริยา
การโต้ตอบระหว่าง MOFs และมีเทนอยู่ในระดับปานกลาง ทำให้สามารถจัดเก็บมีเทนได้ที่อุณหภูมิห้องและแรงดันค่อนข้างสูง ซึ่งหมายความว่าสามารถจัดเก็บมีเทนได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้สภาวะใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อม ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานและต้นทุนอุปกรณ์
ในปี 2015 Eddaoudi และเพื่อนร่วมงานรายงานวัสดุ MOF ที่เรียกว่า Alsoc-MOF-1 สำหรับการจัดเก็บมีเทน ที่ 298 K และ 65 บาร์ แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการดูดซับมีเทนทั้งหมด 0.42 กรัม/กรัม และความสามารถในการทำงาน (5-65 บาร์) 0.37 กรัม/กรัม ซึ่งบ่งบอกถึงประสิทธิภาพในการจัดเก็บมีเทนที่แข็งแกร่ง
โดยทั่วไป การพัฒนา MOFs ที่มีขนาดรูพรุนที่เหมาะสมและการรวมกลุ่มการทำงานหรือไซต์สามารถเพิ่มความจุมีเทนเชิงปริมาตรได้ นอกจากนี้ MOFs ที่มีปริมาตรรูพรุนและพื้นที่ผิวที่มากกว่ามักจะแสดงความจุมีเทนเชิงน้ำหนักที่สูงกว่า สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าผ่านการออกแบบและการสังเคราะห์ MOFs อย่างระมัดระวังด้วยโครงสร้างและฟังก์ชันเฉพาะ ความสามารถในการจัดเก็บมีเทนสามารถปรับปรุงได้ต่อไป
โครงสร้างอินทรีย์โควาเลนต์ (COFs) เป็นวัสดุที่มีรูพรุนเป็นผลึกที่สร้างจากธาตุเบา (เช่น B, C, O, H และ Si) ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง เช่นเดียวกับ MOFs COFs มีพื้นที่ผิวสูง ปริมาตรรูพรุนขนาดใหญ่ และโครงสร้างรูพรุนที่ปรับแต่งได้ ที่สำคัญ COFs มีความหนาแน่นต่ำมาก จัดอยู่ในกลุ่มวัสดุผลึกที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดที่รู้จัก (ต่ำถึง 0.17 กรัม/ซม.³) สิ่งนี้ทำให้ COFs มีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในการจัดเก็บก๊าซ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่วัสดุน้ำหนักเบาเป็นสิ่งจำเป็น
โดยทั่วไป COFs สามมิติ (3D) ทำงานได้ดีกว่า COFs สองมิติ (2D) ในการดูดซับมีเทนเนื่องจากโครงสร้างรูพรุนที่ซับซ้อนกว่าและปริมาตรรูพรุนที่ใหญ่กว่า ซึ่งให้ไซต์ดูดซับมีเทนมากขึ้น
ตัวอย่างเช่น 3D COF-102 มีปริมาตรรูพรุน 1.55 ซม.³/กรัม ในขณะที่ COF-103 มี 1.54 ซม.³/กรัม ภายใต้สภาวะ 35 บาร์และ 298 K พวกมันแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการดูดซับมีเทนแรงดันสูง 187 มก./กรัม (18.7 wt%) และ 175 มก./กรัม (17.5 wt%) ตามลำดับ—สูงสุดในบรรดา COFs ในทางตรงกันข้าม 2D COF-5 ที่มีปริมาตรรูพรุน 1.07 ซม.³/กรัม แสดงความสามารถในการดูดซับมีเทน 89 มก./กรัม (8.9 wt%) ภายใต้สภาวะเดียวกัน ซึ่งสูงที่สุดในบรรดา 2D COFs
การค้นพบเหล่านี้เน้นย้ำถึงศักยภาพที่สำคัญของ COFs สำหรับการจัดเก็บมีเทน โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะแรงดันสูง ด้วยการออกแบบและสังเคราะห์ COFs ด้วยโครงสร้างรูพรุนและฟังก์ชันเฉพาะ ความสามารถในการจัดเก็บมีเทนสามารถปรับปรุงได้ต่อไปสำหรับการใช้งานจริง
แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีชี้ให้เห็นว่า MOFs และ COFs จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการจัดเก็บมีเทน พวกเขาอาจกลายเป็นส่วนประกอบสำคัญในระบบพลังงานสะอาดในอนาคต ซึ่งมีส่วนช่วยในการพัฒนาอย่างยั่งยืน
มีเทนเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกที่สะอาดและมีประสิทธิภาพพร้อมศักยภาพมหาศาล อย่างไรก็ตาม ความท้าทายในการจัดเก็บและการขนส่งยังคงมีอยู่ การใช้วัสดุที่มีรูพรุน เช่น MOFs และ COFs เพื่อดูดซับมีเทนนำเสนอวิธีแก้ปัญหาที่มีแนวโน้มสูง ด้วยการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง อุปสรรคที่มีอยู่สามารถเอาชนะได้ ทำให้สามารถจัดเก็บและนำมีเทนไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ—ขั้นตอนสำคัญสู่อนาคตพลังงานที่สะอาดและยั่งยืนมากขึ้น
ที่อยู่
ห้องที่ 10 ชั้น 20 อาคารที่ 1588, ภาคกลางของ YIZHOU AVENUE, เขตเทคโนโลยีสูง, CHENGDU CITY, (SICHUAN) PILOT free trade zone, CHINA
โทรศัพท์
86-159-0282-5209
อีเมล
richie@scmondes.com
