Wychwytuj dwutlenek węgla i wydajnie przekształcaj go w energię

Naukowcy odkryli, w jaki sposób dwutlenek węgla można wychwycić i przekształcić w pojedynczym procesie elektrochemicznym, w którym elektroda, taka jak ta pokazana na zdjęciu pokrytym bąbelkami, służy do przyciągania dwutlenku węgla uwalnianego z materiału pochłaniającego i przekształcania go w neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla produkty. Źródło: John Frieda/MIT MechE

Wyniki te, które opierają się na pojedynczym procesie elektrochemicznym, mogą pomóc w ograniczeniu emisji z branż trudnych do dekarbonizacji, takich jak stal i cement.

W wysiłkach na rzecz ograniczenia globalnej emisji gazów cieplarnianych na całym świecie naukowcy z Instytut Technologii w Massachusetts Koncentrują się na technologiach wychwytywania dwutlenku węgla w celu dekarbonizacji najbardziej wymagających emisji przemysłowych.

Dekarbonizacja takich gałęzi przemysłu jak stal, cement i produkcja chemiczna jest szczególnie trudna ze względu na nieodłączne wykorzystanie w ich procesach węgla i paliw kopalnych. Jeśli uda się opracować technologie wychwytywania emisji gazów cieplarnianych i ponownego wykorzystania ich w procesie produkcyjnym, może to doprowadzić do znacznej redukcji emisji z tych „trudnych do ograniczenia” sektorów.

Jednak obecne technologie eksperymentalne wychwytujące i przekształcające dwutlenek węgla robią to w ramach dwóch oddzielnych procesów, które same w sobie wymagają ogromnej ilości energii do działania. Zespół MIT zamierza połączyć te dwa procesy w jeden zintegrowany, bardziej energooszczędny system, który może wykorzystywać energię odnawialną w celu wychwytywania i przekształcania dwutlenku węgla ze skoncentrowanych źródeł przemysłowych.

Najnowsze ustalenia dotyczące wychwytywania i konwersji dwutlenku węgla

W badaniu opublikowanym 5 września w czasopiśmie Kataliza ACSNaukowcy odkrywają ukrytą funkcję wychwytywania i przekształcania dwutlenku węgla w pojedynczym procesie elektrochemicznym. Proces ten polega na użyciu elektrody do wychwytywania dwutlenku węgla uwalnianego przez materiał pochłaniający i przekształcania go w rozcieńczoną postać nadającą się do ponownego użycia.

Inni donosili o podobnych demonstracjach, ale mechanizmy napędzające reakcję elektrochemiczną pozostają niejasne. Zespół MIT przeprowadził szeroko zakrojone eksperymenty, aby określić ten napęd, ostatecznie stwierdzając, że jest on spowodowany ciśnieniem parcjalnym dwutlenku węgla. Innymi słowy, im czystszy CO2 styka się z elektrodą, tym skuteczniej elektroda wychwytuje i przekształca cząsteczkę.

Dowiedz się, co to jest ten główny lub „aktywny” silnik. Klasyfikować„, może pomóc naukowcom w dostrojeniu i optymalizacji podobnych systemów elektrochemicznych w celu skutecznego wychwytywania i przekształcania dwutlenku węgla w zintegrowanym procesie.

Wyniki badania wskazują, że chociaż te systemy elektrochemiczne mogą nie nadawać się do środowisk o dużym rozrzedzeniu (na przykład do wychwytywania i przekształcania emisji dwutlenku węgla bezpośrednio z powietrza), dobrze sprawdziłyby się w przypadku wysoce stężonych emisji generowanych w procesach przemysłowych. Szczególnie te, które nie mają jasnej alternatywy dla energii odnawialnej.

„Możemy i powinniśmy przejść na odnawialne źródła energii, aby wytwarzać energię elektryczną” – mówi autor badania Petar Galant, profesor nadzwyczajny ds. rozwoju kariery na MIT, rok 1922. „Głęboko dekarbonizujące gałęzie przemysłu, takie jak produkcja cementu czy stali, stanowią wyzwanie i wymagają czasu”. Dłużej „Nawet jeśli pozbędziemy się wszystkich naszych elektrowni, potrzebujemy rozwiązań, które pozwolą nam uporać się z emisjami z innych gałęzi przemysłu w krótkim okresie, zanim będziemy mogli je w pełni zdekarbonizować. Tutaj widzimy idealny punkt, w którym coś takiego mogłoby zadziałać.

Współautorami badania z MIT są główny autor i badacz ze stopniem doktora Graham Leverick i absolwentka Elizabeth Bernhardt, a także Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman i Mohd Khairuddin Arua z Sunway University Malaysia.

Zrozumienie procesu wychwytywania dwutlenku węgla

Technologie wychwytywania dwutlenku węgla mają na celu wychwytywanie emisji, czyli „gazów spalinowych” z kominów elektrowni i zakładów produkcyjnych. Odbywa się to przede wszystkim poprzez duże modernizacje w celu kierowania emisji do komór wypełnionych roztworem „wychwytującym” – mieszaniną amin lub związków na bazie amoniaku, które chemicznie wiążą się z dwutlenkiem węgla, tworząc stabilną formę, którą można oddzielić od reszty. Ze spalin.

Następnie stosuje się wysokie temperatury, zwykle w postaci pary z paliwa kopalnego, w celu uwolnienia wychwyconego dwutlenku węgla z wiązania aminowego. W czystej postaci gaz można następnie pompować do zbiorników magazynowych lub pod ziemię, mineralizować lub przekształcać w chemikalia lub paliwo.

„Wychwytywanie dwutlenku węgla to dojrzała technologia, ponieważ chemia jest znana od około 100 lat, ale wymaga naprawdę dużych obiektów, a jej eksploatacja jest bardzo droga i energochłonna” – podkreśla Gallant. „Chcemy technologii, które są bardziej elastyczne i elastyczne i można je dostosować do bardziej zróżnicowanych źródeł dwutlenku węgla. Systemy elektrochemiczne mogą pomóc w rozwiązaniu tego problemu.”

Jej grupa w MIT opracowuje system elektrochemiczny, który odzyskuje wychwycony dwutlenek węgla i przekształca go w zredukowany, użyteczny produkt. Taki zintegrowany, a nie oddzielny system mógłby być w całości zasilany energią odnawialną, a nie parą pozyskiwaną z paliw kopalnych – mówi.

Ich koncepcja koncentruje się wokół elektrody, którą można zainstalować w istniejących komorach na potrzeby rozwiązań wychwytujących dwutlenek węgla. Po przyłożeniu napięcia do elektrody elektrony przepływają na reaktywną formę dwutlenku węgla i przekształcają go w produkt za pomocą protonów dostarczonych z wody. Dzięki temu absorbent może wiązać więcej dwutlenku węgla, zamiast używać pary do zrobienia tego samego.

Gallant wykazał już wcześniej, że w tym procesie elektrochemicznym można wychwytywać dwutlenek węgla i przekształcać go w gaz Forma stałego węglanu.

„Pokazaliśmy, że ten proces elektrochemiczny był możliwy już w bardzo wczesnych koncepcjach” – mówi. „Od tego czasu przeprowadzono inne badania skupiające się na wykorzystaniu tego procesu do produkcji użytecznych chemikaliów i paliw. Jednak niespójne były wyjaśnienia, jak te reakcje działają pod maską.”

Rola Solo CO2

W nowym badaniu zespół z MIT wziął pod maskę szkło powiększające, aby poznać specyficzne reakcje napędzające proces elektrochemiczny. W laboratorium wyprodukowali roztwory aminowe, które przypominają przemysłowe roztwory wychwytujące stosowane do ekstrakcji dwutlenku węgla ze gazów spalinowych. Systematycznie zmieniali różne właściwości każdego roztworu, takie jak pH, stężenie i rodzaj aminy, a następnie przepuszczali każdy roztwór przez elektrodę wykonaną ze srebra, metalu szeroko stosowanego w badaniach elektrolizy i znanego ze zdolności do wydajnego przekształcania dwutlenku węgla w węgiel . Tlenek. Następnie zmierzyli stężenie tlenku węgla przetworzonego pod koniec reakcji i porównali tę liczbę z każdym innym testowanym roztworem, aby sprawdzić, który parametr ma największy wpływ na ilość wytworzonego tlenku węgla.

Ostatecznie odkryli, że najważniejszy nie był rodzaj aminy użytej do początkowego wychwytywania dwutlenku węgla, jak wielu się spodziewało. Zamiast tego było to stężenie pojedynczych, wolnych cząsteczek CO2, które unikały wiązania z aminami, ale mimo to były obecne w roztworze. „Pojedynczy dwutlenek węgla” określa stężenie ostatecznie wytworzonego tlenku węgla.

„Odkryliśmy, że łatwiej było reagować z pojedynczym dwutlenkiem węgla niż z dwutlenkiem węgla wychwyconym przez aminę” – mówi Leverick. „To mówi przyszłym badaczom, że proces ten może być wykonalny w przypadku strumieni przemysłowych, ponieważ wysokie stężenia dwutlenku węgla można skutecznie wychwytywać i przekształcać w przydatne chemikalia i paliwa”.

„To nie jest technika usuwania i należy o tym wspomnieć” – podkreśla Gallant. „Wartość, jaką niesie ze sobą, polega na tym, że pozwala nam na wielokrotny recykling CO2 przy jednoczesnym utrzymaniu istniejących procesów przemysłowych, w celu zmniejszenia związanych z tym emisji. Docelowo moim marzeniem jest, aby można było zastosować systemy elektrochemiczne w celu ułatwienia mineralizacji i trwałego składowania CO2, co jest prawdziwym technologii usuwania.” Jest to wizja długoterminowa, a duża część nauki, którą zaczynamy rozumieć, to pierwszy krok w kierunku zaprojektowania tych procesów.

Odniesienie: „Wykrywanie substancji aktywnych w dwutlenku węgla za pośrednictwem aminy₂ „Redukcja CO2 w Ag” Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa i Petar M. Gallant*, 5 września 2023 r., Kataliza ACS.
doi: 10.1021/acscatal.3c02500

Badania te wspierane są przez Uniwersytet Sunway w Malezji.