Energeticky efektívne zachytávanie a premena CO2

Zistenia založené na jedinom elektrochemickom procese by mohli pomôcť znížiť emisie z odvetví, ktoré sa najťažšie dekarbonizujú, ako sú oceliarstvo a cement.

Vedci v snahe obmedziť globálne emisie skleníkových plynov na celom svete MIT Dôraz sa kladie na technológie zachytávania uhlíka na dekarbonizáciu najnáročnejších priemyselných emisií.

Odvetvia ako oceliarstvo, cementárstvo a chemická výroba sa dekarbonizujú obzvlášť ťažko z dôvodu prirodzeného používania uhlíka a fosílnych palív v ich procesoch. Ak by sa podarilo vyvinúť technológie na zachytávanie emisií uhlíka a ich opätovné využitie vo výrobnom procese, mohlo by to viesť k výraznému zníženiu emisií z týchto „ťažko sa vyhnúť“ sektorov.

Súčasné experimentálne technológie, ktoré zachytávajú a premieňajú oxid uhličitý, to však robia ako dva samostatné procesy, ktoré si vyžadujú veľké množstvo energie. Tím MIT sa snaží skombinovať oba procesy do integrovaného a oveľa energeticky efektívnejšieho systému, ktorý by potenciálne mohol fungovať na obnoviteľnej energii na zachytávanie a premenu oxidu uhličitého z koncentrovaných priemyselných zdrojov.

Nedávne zistenia o zachytávaní a konverzii uhlíka

V štúdii uverejnenej 5. septembra v časopise ACS katalýzaVýskumníci odhaľujú skrytý mechanizmus, ako možno oxid uhličitý zachytiť a premeniť rovnakým elektrochemickým procesom. Proces zahŕňa použitie elektródy na pritiahnutie oxidu uhličitého uvoľneného zo sorbentu a jeho premenu na redukovanú, opätovne použiteľnú formu.

Iní hlásili podobné demonštrácie, ale mechanizmy poháňajúce elektrochemickú reakciu zostávajú nejasné. Tím MIT vykonal rozsiahle experimenty na určenie tohto vodiča a zistil, že nakoniec to viedlo k parciálnemu tlaku oxidu uhličitého. Inými slovami, čím viac čistého oxidu uhličitého prichádza do kontaktu s elektródou, tým účinnejšie môže elektróda zachytiť a premeniť molekulu.

Znalosť tohto kľúčového ovládača alebo „aktívne“ druhov„Mohol by pomôcť vedcom vyladiť a optimalizovať podobné elektrochemické systémy na efektívne zachytávanie a premenu oxidu uhličitého v integrovanom procese.

Výsledky štúdie ukazujú, že aj keď tieto elektrochemické systémy pravdepodobne nebudú fungovať vo veľmi zriedenom prostredí (napríklad na zachytávanie a konverziu emisií uhlíka priamo zo vzduchu), môžu byť vhodné pre vysoko koncentrované emisie generované priemyselnými procesmi. budú, najmä tie, ktoré nemajú zjavnú obnoviteľnú alternatívu.

„Pri výrobe energie môžeme a mali by sme prejsť na obnoviteľnú energiu. Ale hlboká dekarbonizácia priemyselných odvetví, ako je výroba cementu alebo ocele, je náročná a bude trvať dlho,“ hovorí autor štúdie Betar Gallant, docent pre rozvoj kariéry v roku 1922 na MIT. „Aj keď sa zbavíme všetkých našich elektrární, potrebujeme nejaké riešenia, aby sme sa v krátkodobom horizonte vysporiadali s emisiami iných priemyselných odvetví, kým ich budeme môcť úplne dekarbonizovať. „To je miesto, kde vidíme sladké miesto, kde by sa takýto systém mohol hodiť.“

Spoluautormi štúdie z MIT sú hlavný autor a postdoktor Graham Laverick a postgraduálna študentka Elizabeth Bernhardt, ako aj Aisyah Ilyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzman a Mohd Khaireddin Arouah zo Sunway University v Malajzii.

Pochopenie procesu zachytávania uhlíka

Technológie zachytávania uhlíka sú navrhnuté tak, aby zachytávali emisie alebo „splodiny“ z dymových komínov elektrární a výrobných zariadení. Primárne sa to robí pomocou veľkých rekonštrukcií na lievikovité emisie do komôr naplnených „záchytným“ roztokom – zmesou amínov alebo zlúčenín na báze amoniaku, ktoré sa chemicky viažu na oxid uhličitý a vytvárajú stajňu, ktorú je možné oddeliť od zvyšku. Zo spalín.

Potom sa použije vysoká teplota, zvyčajne vo forme pary generovanej fosílnym palivom, aby sa uvoľnil zachytený oxid uhličitý z jeho amínovej väzby. Vo svojej čistej forme môže byť plyn skladovaný v zásobníkoch alebo pod zemou, mineralizovaný alebo ďalej premenený na chemikálie alebo palivo.

„Zachytávanie uhlíka je vyspelá technológia, ktorej chémia je známa už asi 100 rokov, ale na spustenie si vyžaduje skutočne veľkú inštaláciu a je dosť drahá a energeticky náročná,“ hovorí Gallant. „Chceme technológie, ktoré sú modulárnejšie a flexibilnejšie a ktoré sa dajú prispôsobiť rôznorodejším zdrojom oxidu uhličitého. „Elektrochemické systémy by to mohli pomôcť vyriešiť.“

Jeho skupina na MIT vyvíja elektrochemický systém, ktorý regeneruje zachytený oxid uhličitý a premieňa ho na redukovaný, použiteľný produkt. Hovorí, že takýto integrovaný systém, a nie izolovaný systém, by mohol byť poháňaný výlučne obnoviteľnou elektrinou a nie parou získanou z fosílnych palív.

Ich koncept sa zameriava na elektródu, ktorá by sa hodila do existujúcich komôr roztoku na zachytávanie uhlíka. Keď je na elektródu privedené napätie, elektróny prúdia do reaktívnej formy oxidu uhličitého a premieňajú ho na produkt pomocou protónov dodávaných z vody. Vďaka tomu je sorbent k dispozícii na viazanie väčšieho množstva oxidu uhličitého než na použitie pary.

Gallant predtým preukázal, že tento elektrochemický proces môže zachytiť a premeniť oxid uhličitý pevná forma uhličitanu,

„Ukázali sme, že tento elektrochemický proces bol možný vo veľmi skorých konceptoch,“ hovorí. „Odvtedy existujú ďalšie štúdie zamerané na využitie tohto procesu na výrobu užitočných chemikálií a palív. Vyskytli sa však nejednotné vysvetlenia, ako tieto reakcie fungujú.“

Úloha „Sólo CO2“

V novej štúdii tím MIT vzal pod kapotu lupu, aby odhalil špecifické reakcie, ktoré poháňajú elektrochemický proces. V laboratóriu pripravili amínový roztok, ktorý sa podobá priemyselnému zachytávaciemu roztoku používanému na extrakciu oxidu uhličitého zo spalín. Metodicky menili rôzne vlastnosti každého roztoku, ako je pH, koncentrácia a typ amínu, potom prešli každý roztok cez elektródu vyrobenú zo striebra – kovu, ktorý sa široko používa v štúdiách elektrolýzy a premieňa oxid uhličitý na uhlík. efektívne do. Monoxide. Potom zmerali koncentráciu oxidu uhoľnatého transformovaného na konci reakcie a porovnali toto číslo s každým iným riešením, ktoré testovali, aby zistili, ktorý parameter mal najväčší vplyv na množstvo vyprodukovaného oxidu uhoľnatého.

Nakoniec zistili, že to, na čom najviac záleží, nie je typ amínu, ktorý sa pôvodne použil na zachytenie oxidu uhličitého, ako sa mnohí domnievali. Namiesto toho to bola koncentrácia jednotlivých voľne plávajúcich molekúl oxidu uhličitého, ktoré sa vyhýbali väzbe s amínom, ale boli stále prítomné v roztoku. Tento „Solo-CO2“ nakoniec určil koncentráciu produkovaného oxidu uhoľnatého.

„Zistili sme, že s týmto ‚sólovým‘ CO2 sa reaguje ľahšie ako s CO2 zachyteným amínmi,“ hovorí Laverick. „To hovorí budúcim výskumníkom, že tento proces môže byť uskutočniteľný pre priemyselné toky, kde by sa mohli efektívne zachytiť vysoké koncentrácie oxidu uhličitého a premeniť ich na užitočné chemikálie a palivá.“

„Toto nie je technika odstraňovania a je dôležité to oznámiť,“ zdôrazňuje Gallant. „Hodnota, ktorú prináša, je, že nám umožňuje niekoľkokrát recyklovať oxid uhličitý pre nižšie súvisiace emisie pri zachovaní existujúcich priemyselných procesov. V konečnom dôsledku je mojím snom, že elektrochemické systémy môžu byť použité na uľahčenie mineralizácie a trvalého ukladania CO2 – skutočná technológia odstraňovania. Ide o dlhodobý prístup. A veda, ktorej začíname rozumieť, je prvým krokom k navrhnutiu týchto procesov.

Odkaz: „Vystavenie aktívnych druhov v amínom sprostredkovanom CO₂ Zníženie CO na Ag“ Graham Laverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisyah Ilyani Ismail, Jun Hui Law, A. Autori Arifutzman, Mohammad Kheridin Aroua a Betar M. Gallant*, 5. septembra 2023, ACS katalýza,
DOI: 10.1021/acscatal.3c02500

Tento výskum podporuje Sunway University v Malajzii.