生物燃料研究人員的聖杯是創造一個自我維持的過程，它可以將來自污水、糧食作物、海藻和其他可再生碳源的廢物轉化為燃料，與此同時還能使廢碳不進入我們的環境和水中。儘管在將此類垃圾轉化為可用燃料方面已經取得了很多進展，但用清潔能源完成循環已被證明是一個難以破解的難題。
現在，美國能源部西北太平洋國家實驗室(PNNL)的一個研究小組已經設計出一個系統來完成這個任務。PNNL的電催化氧化燃料回收系統將以前被認為是不可回收的、稀釋的“廢”碳轉化為有價值的化學品，同時還產生有用的氫氣。由於使用了可再生能源，該過程是碳中性的，甚至可能是碳負性的。
使這一切發揮作用的關鍵則是一個設計優雅的催化劑，它結合了數十億個無限小的金屬顆粒和電流並可在室溫和壓力下加速能量轉換。
PNNL化學工程師和項目負責人Juan A. Lopez-Ruiz說道：“目前使用的處理生物原油的方法需要高壓氫氣，這通常是由天然氣產生的。我們的系統可以自己產生氫氣，同時利用多餘的可再生電力在接近大氣的條件下處理廢水，進而使其操作成本低廉並可能實現碳中和。”
一個飢餓的系統
研究小組在實驗室中使用來自工業規模的生物質轉化過程的廢水樣本對該系統進行了測試，在連續運行了200多個小時並沒有發現任何效率損失的情況。唯一的制約因素是，研究小組的廢水樣本已經用完了。
“這是一個飢餓的系統，”Lopez-Ruiz說道，“該過程的反應速度跟你試圖轉化的廢碳數量成正比。如果你有廢水不斷循環通過它，它可以無限期地運行。”
據Lopez-Ruiz介紹稱，這個正在申請專利的系統解決了幾個問題，這些問題一直困擾着使生物質成為經濟上可行的再生能源的努力。
“我們知道如何將生物質變成燃料，”Lopez-Ruiz說道，“但我們仍在努力使這一過程具有能源效率、經濟性和環境可持續性，特別是對於小規模、分佈式的規模。這個系統依靠電力運行，電力可以來自可再生資源。而且它自己產生熱量和燃料以保持其運行。它有可能完成能源回收循環。”
Lopez-Ruiz繼續補充道：“隨着電網開始將其能源來源轉向整合更多的可再生能源。依靠電力滿足我們的能源需求變得越來越有意義。為此，我們開發了一種工藝，利用電力將廢水中的碳化合物轉化為有用的產品並與此同時去除掉氮和硫化合物等雜質。”
縮小能源差距
水熱液化(HTL)是一種將濕廢碳轉化為燃料的非常有效的方法。這個過程，從本質上講，縮短了生產天然化石燃料所需的時間，其可以在幾個小時而不是幾千年內將濕生物質轉化為能量密集的生物原油。然而該過程是不完整的，因為作為該過程的一部分產生的廢水需要進一步處理，這樣可以方便從本來是一種責任的東西中獲得附加值。
Lopez-Ruiz說道：“我們意識到，從廢水中去除有機分子的相同（電）化學反應還可用於在室溫和大氣壓下直接提升生物原油。”
這就是PNNL的新工藝發揮作用的地方。未提煉的生物原油和廢水可以直接從HTL輸出流或其他濕廢物中輸入該系統。PNNL工藝由所謂的流動池組成，廢水和生物原油流經流動池，然遇到由電流產生的帶電環境。
帶正電的一半–被稱為陽極–包含一個塗有納米氧化釕顆粒的薄鈦箔。在這裡，廢物流經歷了催化轉化，生物原油被轉化為有用的油和石蠟。與此同時，水溶性污染物如含氧和含氮化合物經過化學轉化變成氮氣和氧氣–大氣的正常成分。從該系統中出現的廢水在去除污染物后可以被送回HTL工藝中。
在流動電池帶負電的另一半即陰極則發生了不同的反應，其可以使有機分子加氫或產生氫氣–一種新興的能源，流動電池開發者將其視為一種潛在的燃料來源。
“我們認為該過程產生的氫氣副產品是一種凈增值。當收集並作為燃料輸入系統時，它可以使系統在較少的能源投入下運行，並有可能使其比目前的生物質轉換操作更經濟和碳中性，”Lopez-Ruiz說道。
化學轉化的速度則為該系統提供了一個額外的好處。Lopez-Ruiz表示，
他們在速率比較看到，在大氣條件下用電化學系統獲得的轉化率是在中等氫氣壓力和溫度下用熱系統獲得的轉化率的100多倍。
減少稀土金屬的使用
許多商業技術的一個重要缺點是它們對稀土金屬的依賴，有時被稱為鉑族金屬。這些元素的全球供應鏈主要依賴於過時的提取技術，而這些技術都是能源密集型的，它們需要使用大量的水併產生危險廢物。根據將美國供應作為首要任務的能源部，在35種關鍵材料中的14種和其他17種材料中的一半以上，進口佔了該國供應的100%。
該系統通過採用一種獨特的方法沉積負責化學轉換的金屬的納米顆粒來解決這一問題。這些顆粒具有較大的表面積只需要較少的金屬來完成其工作。Lopez-Ruiz表示：“我們發現，相對於金屬薄膜和金屬箔，使用金屬納米顆粒減少了金屬含量並提高了電化學性能。”這種新型催化劑所需的貴金屬在這種情況下則是釕，這是類似工藝通常所需的貴金屬1/1000。具體來說，實驗室規模的流動反應器使用的電極含有約5到15毫克的釕，而類似的反應器則需要約10克的鉑。
關於那些無用的碳化合物
研究小組還指出，PNNL工藝可以處理小型水溶性碳化合物–在當前HTL工藝的廢水中發現的副產品–以及許多其他工業工藝。在低濃度的廢水流中，約有一打這種難以處理的小型碳化合物。截止到目前，還沒有成本效益高的技術來處理它們。這些短鏈碳化合物如丙酸和丁酸則能在新開發的工藝中會轉化為燃料，像乙烷、丙烷、己烷和氫氣。
初步的成本分析顯示，運行該系統所需的電力成本可以通過在低電壓下運行，其可利用丙烷或丁烷產生熱量和出售產生的多餘氫氣來完全抵消。
為美聯邦政府管理和運營PNNL的Battelle已經為該電化學工藝申請了美國專利。CogniTek管理系統（CogniTek）是一家將能源產品和技術解決方案推向市場的全球性公司，它已經從PNNL獲得了該技術的許可。CogniTek將把PNNL的廢水處理技術整合到CogniTek及其戰略夥伴正在開發和商業化的專利生物質處理系統中。他們的目標是生產生物燃料，如生物柴油和生物航空燃料。除了商業化協議外，PNNL和CogniTek將合作將廢水處理反應器從實驗室規模擴大到示範規模。
CogniTek CEO Michael Gurin表示：“我們CogniTek公司對有機會將PNNL的技術跟我們的核心專利和正在申請專利的脫碳技術結合起來加以推廣感到興奮。”
這項被稱為“清潔可持續電化學處理技術（CleanSET）”的技術可供其他公司或有興趣開發該技術的市政污水處理廠、奶牛場、釀酒廠、化學品製造商及食品和飲料生產商等特定行業使用的公司或市政當局許可。