2021年,全球近四分之一的二氧化碳排放来自于交通行业,航空是一个重要的因素。虽然电动汽车日益增长的使用帮助清理地面运输,今天的电池不能与化石能源竞争的液态碳氢化合物能源交付每磅体重——飞行时的主要担忧。与此同时,基于预测旅游需求的增长,航空燃油的消耗量预计从现在到2050年将翻番——今年的国际航空业已经承诺要碳中和。
许多组织有针对性的可持续的碳氢化合物燃料100%飞机,但没有成功。部分挑战是航空燃料所以严格监管。“这是一个子类的燃料非常具体的要求的化学和物理性质的燃料,因为你不能出错的风险在飞机引擎,”罗伯特·t·海斯蓝Yuriy Roman-Leshkov说化学工程教授。“如果你在30000英尺高空飞行,外面很冷,你不希望燃料变厚或冻结。这就是为什么配方是非常具体的。”
航空燃料结合了两大类型的化合物。大约75的90%是由“脂肪”分子,由长链碳原子连接在一起。“这是类似于柴油燃料,我们会发现这是一个经典的碳氢化合物,,”Roman-Leshkov解释道。剩下的10 - 25%由“芳香”分子,每一个包括至少一个环组成的六个碳原子相连。
在大多数运输燃料,芳烃被视为污染的来源,所以他们尽可能删除。然而,在航空燃料,一些芳香分子必须保持因为他们设置必要的物理和燃烧特性的混合物。他们还执行一个重要任务:确保海豹飞机燃油系统的各个组件之间的紧张。“吸收的芳烃得到塑料密封,使其膨胀,“Roman-Leshkov解释道。“如果因为某些原因燃料变化,所以可以密封,这是非常危险的。”
因此,芳烃是一个必要的组件——但他们也绊脚石搬到创建可持续的航空燃料,或SAFs。公司知道如何使脂肪分数不能食用的植物部分和其他可再生能源,但他们还没有研制出一种通过生成芳香分数从可持续来源的方法。因此,有一个“混合墙,”Roman-Leshkov解释道。“因为我们需要芳香内容——不管其来源——总是会有限制多少可持续脂肪族碳氢化合物的我们可以用不改变混合物的属性。”他注意到一个类似的混合汽油。“我们有大量的乙醇,但我们不能增加超过10%不改变汽油的性质。事实上,当前引擎无法处理甚至15%乙醇没有修改。”
不缺乏可再生原料,或者试图把它
在过去的五年中,理解和解决SAF问题已经Roman-Leshkov和麻省理工学院的研究团队的目的——迈克尔·l·斯通博士”21岁的马修·s·韦伯和其他人——以及他们的合作者在华盛顿州立大学,国家可再生能源实验室(NREL)和太平洋西北国家实验室。他们的工作都集中在木质素,硬质的材料,给植物结构支持和防止细菌和真菌。大约30%的碳生物质在木质素,然而从生物质乙醇生成时,木质素是留下作为废物的产品。
尽管英勇的努力,没有人发现了一个经济可行的,可伸缩的方式将木质素转化成有用的产品,包括芳香分子需要可持续的航空燃油100%。为什么不呢?正如Roman-Leshkov所说,“这是由于其化学固执。”很难使其发生化学反应以有用的方式。因此,每年数百万吨的废物木质素作为低品位燃料燃烧,用作肥料,或者干脆扔掉。
理解这个问题需要理解发生了什么在原子水平。单个木质素分子-挑战的起点是一个很大的“高分子”由许多芳香环的网络连接的原子氧和氢。简单地说,将木质素转化为芳香分数的关键SAF的过程中,大分子分解成小块,摆脱所有的氧原子。
一般来说,大多数工业过程开始用化学反应来阻止木质素的后续升级:从生物质提取木质素,芳香分子的反应,连接在一起,形成强大的网络不会进一步反应。因此,木质素不再是用于制造航空燃料。
为了避免这种结果,Roman-Leshkov和他的团队利用另一种方法:他们使用催化剂诱导化学反应通常不会发生在提取。反应的生物质的ruthenium-based催化剂,它们能够去除木质素的生物量和产生一个黑色的液体称为木质素石油。该产品是化学稳定,这意味着芳香分子将不再与另一个反应。
因此,研究人员已经成功地打破了原来的木质素高分子成碎片,只包含一个或两个芳香环。然而,尽管孤立的片段不发生化学反应,他们仍然含有氧原子。因此,一个任务是:找到一个可以氧原子。
Roman-Leshkov说,事实上,从木质素的分子油有针对性的芳香分子要求他们完成三件事情在一个单一的步骤:他们需要选择性地破坏碳-氧键自由氧原子;他们需要避免无碳原子结合成芳香环(例如,原子的氢气必须出现的所有化学转换发生);他们需要保护的碳骨架分子——也就是说,有关的一系列碳原子连接保持的芳香环。
最终,Roman-Leshkov和他的团队发现了一个特殊的成分,就可以做到:碳化钼催化剂。“这其实是一个非常神奇的催化剂,因为它可以执行这三个动作很好,”Roman-Leshkov说。“除此之外,这是极其耐毒药。植物可以包含大量的组件,如蛋白质盐,和硫磺,这常常毒害催化剂所以他们不工作了。但碳化钼非常健壮且不是强烈受到这种杂质。”
尝试从杨树木质素
为了测试他们的方法在实验室中,研究人员首先设计并建造了专门的滴流床反应器,一种化学反应器中液体和气体通过催化剂粒子的填充层向下流动。然后他们从杨树生物量,获得一种树被称为一个“能源作物”,因为它生长迅速,不需要大量的肥料。
开始时,他们的反应的杨树生物量在ruthenium-based催化剂提取木质素和石油生产木质素。然后他们通过他们的滴流床反应器流油含有碳化钼催化剂。形成的混合物包含一些有针对性的产品也很多人仍然含有氧原子。
滴流床反应器Roman-Leshkov指出,这段时间木质素石油暴露在催化剂完全取决于它在填充床滴下来的速度有多快。增加曝光时间,他们试图通过两次石油通过相同的催化剂。然而,产品的分配,形成在第二步不是预测基于第一遍的结果。
随着进一步的调查,他们发现原因。第一次木质素油滴通过反应堆,它沉积氧气在催化剂。氧变化的沉积催化剂的行为,某些产品出现或消失,温度是至关重要的。“温度和氧含量在第一催化剂的状况,“Roman-Leshkov说。”然后,在第二步中,流中的氧含量较低,催化剂可以完全打破剩余的碳氧键。”可以连续操作过程:两个独立的反应堆含有独立的催化剂床串联连接,与第一初加工木质素石油和第二个删除任何氧气依然存在。
基于一系列的实验涉及木质素石油从杨树生物量,研究人员确定了操作条件产生最好的结果:350摄氏度在第一步和第二步375 C。在这些优化的条件下,形成的混合物是由目标芳香产品,剩余的少量的其他航空燃油脂肪族组成的分子和一些剩余的含氧的分子。催化剂保持稳定而产生超过87%(按重量)的芳香分子。
“当我们做我们与碳化钼催化剂的化学,我们的总碳收益率近85%的理论碳产量,”Roman-Leshkov说。“在大多数lignin-conversion过程,碳产量非常低,大约为10%。这就是为什么催化社区很兴奋我们的结果——因为人们没有看到碳产量高达我们生成的催化剂。”
还有一个关键的问题:组件的混合物形成航空燃料所需的属性吗?“当我们使用这些新的基质作出新的燃料,我们创建不同于标准的混合喷气燃料,”Roman-Leshkov说。“除非它所需的确切性质,它没有资格获得认证为喷气燃料”。
检查他们的产品,Roman-Leshkov和他的团队发送样品到华盛顿州立大学的一个团队运作一个燃烧实验室致力于测试燃料。结果从最初的测试样品的组成和性质是令人鼓舞的。根据组成和出版试销工具和过程,研究人员进行了初步性质预测的样本,他们看上去真的很不错。例如,凝固点、粘度和阈值油烟指数预计低于传统航空芳烃的值。(换句话说,他们的材料应该冻结流更容易和不太可能比传统芳烃同时燃烧时产生更少的大气中的煤烟。)总的来说,预测性能接近或更有利的芳烃比传统燃料。
下一个步骤
研究人员继续研究他们的样品在不同的温度和混合行为,特别是,如何执行关键任务:浸泡到海豹在喷气发动机和肿胀。“这些分子不是典型的芳香分子,你在喷气燃料使用,“Roman-Leshkov说。“初步测试样本海豹表明没有区别我们lignin-derived芳烃膨胀的海豹,但我们需要确认。没有犯错的余地。”
此外,他和他的团队正在与NREL合作者扩大他们的方法。NREL更大的反应堆和其他基础设施需要生产大量的新的可持续的混合。基于迄今为止的有前景的结果,团队要准备所需的进一步测试认证的喷气燃料。除了测试样本的燃料,证明其行为的完整认证过程调用一个操作引擎——“不是在飞行中,但在一个实验室,“澄清Roman-Leshkov。除了需要大样本,示范既费时又昂贵的——这就是为什么这是最后一步所需的严格的测试一个新的可持续的航空燃料得到批准。
Roman-Leshkov和他的同事正在探索使用他们的方法与其他类型的生物量、包括松树、柳枝稷、和玉米秸秆(树叶、秸秆和玉米穗轴左玉米收获后)。但是他们的结果与杨树生物量是有前途的。如果进一步的测试证实了其芳香产品可以取代芳烃在喷气燃料,“混合墙可以消失,”Roman-Leshkov说。“我们会有一个意味着在航空燃料生产的所有组件的可再生材料,可能导致飞机燃料,100%的可持续。”
本研究最初是由生物能源创新中心,美国能源部(DOE)研究中心支持的生物和环境研究办公室在美国能源部科学办公室。最近的资金来自美国能源部生物能源技术办公室和埃尼S.p.A.通过麻省理工学院能源倡议。迈克尔·l·斯通博士的21岁现在在斯坦福大学化学工程博士后。马修·s·韦伯Roman-Leshkov组的一名研究生,现在休假在国家可再生能源实验室实习。
来源:https://web.mit.edu/