Енергийно ефективно улавяне и преобразуване на CO2 в химическата и други тежки индустрии предлагат изследователи

В надпреварата за намаляване на емисиите на парникови газове по света, учените от Масачузетския технологичен институт (MIT) търсят технологии за улавяне на въглерод, за да декарбонизират най-упоритите промишлени емитенти.

Химическата индустрия, стоманодобивът и циментовото производство са особено трудни отрасли за декарбонизиране, тъй като въглеродът и изкопаемите горива са присъщи съставки на тяхното производство. Технологиите, които могат да уловят въглеродните емисии и да ги превърнат във форми, които се връщат обратно в производствения процес, биха могли да помогнат за намаляване на общите емисии от тези трудни за декарбонизиране сектори.

Но досега експерименталните технологии, които улавят и преобразуват въглеродния диоксид, го правят като два отделни процеса, които сами по себе си изискват огромно количество енергия, за да работят. Екипът на MIT се стреми да комбинира двата процеса в една интегрирана и много по-енергийно ефективна система, която потенциално може да работи с възобновяема енергия, за да улови и преобразува въглероден диоксид от концентрирани промишлени източници. Как - разказват от MIT. Ето подробностите:

В проучване, публикувано наскоро в ACS Catalysis, изследователите разкриват скритото функциониране на това как въглеродният диоксид може да бъде едновременно уловен и преобразуван чрез един електрохимичен процес. Процесът включва използване на електрод за привличане на въглероден диоксид, освободен от сорбент, и за превръщането му в редуцирана, повторно използваема форма.

Има съобщения за други подобни демонстрации, но механизмите, движещи електрохимичната реакция, остават неясни. Екипът на MIT проведе обширни експерименти, за да определи този двигател, и установи, че в крайна сметка се свежда до парциалното налягане на въглеродния диоксид. С други думи, колкото по-чист въглероден диоксид влиза в контакт с електрода, толкова по-ефективно електродът може да улови и преобразува молекулата.

Познаването на този основен двигател или „активен вид“ може да помогне на учените да настроят и оптимизират подобни електрохимични системи за ефективно улавяне и преобразуване на въглероден диоксид в интегриран процес.

Резултатите от проучването предполагат, че макар тези електрохимични системи вероятно да не работят за много разредени среди (например за улавяне и преобразуване на въглеродни емисии директно от въздуха), те биха били подходящи за силно концентрираните емисии, генерирани от промишлени процеси, особено тези, които нямат очевидна възобновяема алтернатива, посочват от MIT.

„Можем и трябва да преминем към възобновяеми източници за производство на електроенергия. Но дълбоката декарбонизация на индустрии като производство на цимент или стомана е предизвикателство и ще отнеме повече време“, казва авторът на изследването Бетар Галант, доцент от 1922 г. за развитие на кариерата в MIT. „Дори и да се отървем от всички наши електроцентрали, имаме нужда от някои решения, за да се справим с емисиите от други индустрии в по-краткосрочен план, преди да можем напълно да ги декарбонизираме. Това е мястото, където виждаме сладко място, където нещо като тази система може да се побере.

Съавторите на изследването от Масачузетския технологичен институт са водещият автор и постдокторант Греъм Леверик парциалното налягане и студентката Елизабет Бернхард, заедно с Айся Иляни Исмаил, Джун Хуи Лоу, Ариф Арифуцаман и Мохамед Хейредин Аруа от университета Сънуей в Малайзия.

Разкъсване на връзки

Технологиите за улавяне на въглерод са предназначени за улавяне на емисии или „димни газове“ от коминиje на електроцентрали и производствени съоръжения. Това се прави предимно с помощта на големи модернизации за насочване на емисиите в камери, пълни с разтвор за „улавяне“ - смес от амини или съединения на базата на амоняк, които се свързват химически с въглероден диоксид, произвеждайки стабилна форма, която може да бъде отделена от останалата част на димния газ.

След това се прилагат високи температури, обикновено под формата на пара, генерирана от изкопаеми горива, за освобождаване на уловения въглероден диоксид от неговата аминова връзка. В чистата си форма газът може след това да бъде изпомпан в резервоари за съхранение или под земята, минерализиран или допълнително преобразуван в химикали или горива.

„Улавянето на въглерод е зряла технология, тъй като химията е известна от около 100 години, но изисква наистина големи инсталации и е доста скъпа и енергоемка за работа“, отбелязва Галант. „Това, което искаме, са технологии, които са по-модулни и гъвкави и могат да бъдат адаптирани към по-разнообразни източници на въглероден диоксид. Електрохимичните системи могат да помогнат за справяне с това.

Нейната група в Масачузетския технологичен институт разработва електрохимична система, която възстановява уловения въглероден диоксид и го превръща в редуциран, използваем продукт. Такава интегрирана система, а не отделена, казва тя, може да бъде изцяло захранвана с възобновяема електроенергия, а не с пара, получена от изкопаеми горива.

Тяхната концепция се съсредоточава върху електрод, който ще се побере в съществуващите камери с решения за улавяне на въглерод. Когато към електрода се приложи напрежение, електроните се вливат в реактивната форма на въглероден диоксид и го превръщат в продукт, използвайки протони, доставяни от вода. Това прави сорбента достъпен за свързване на повече въглероден диоксид, вместо да използва пара за същото.

По-рано Галант показа, че този електрохимичен процес може да работи за улавяне и превръщане на въглеродния диоксид в твърда карбонатна форма. „Показахме, че този електрохимичен процес е осъществим в много ранни концепции“, казва тя. „Оттогава има други проучвания, фокусирани върху използването на този процес за опит за производство на полезни химикали и горива. Но има противоречиви обяснения за това как работят тези реакции под капака.

Соло на CO2

В новото проучване екипът на MIT взе лупа под капака, за да разгадае специфичните реакции, движещи електрохимичния процес. В лабораторията те генерират аминови разтвори, които приличат на индустриалните разтвори за улавяне, използвани за извличане на въглероден диоксид от димни газове. Те методично променят различни свойства на всеки разтвор, като pH, концентрация и тип амин, след което прекарват всеки разтвор през електрод, направен от сребро - метал, който се използва широко в изследванията на електролизата и е известно, че ефективно превръща въглеродния диоксид във въглерод монооксид. След това те измерват концентрацията на въглероден оксид, който се превръща в края на реакцията, и сравняват това число с това на всеки друг разтвор, който тестваха, за да видят кой параметър има най-голямо влияние върху количеството въглероден оксид, произведен.

В крайна сметка те откриха, че това, което има най-голямо значение, не е типът на амина, използван за първоначално улавяне на въглероден диоксид, както мнозина подозираха. Вместо това, това беше концентрацията на отделни, свободно плаващи молекули въглероден диоксид, които избягваха свързването с амини, но въпреки това присъстваха в разтвора. Този „соло-CO2“ определя концентрацията на въглероден окис, който в крайна сметка се произвежда.

„Открихме, че е по-лесно да реагираме на този „самостоятелен“ CO2, в сравнение с CO2, който е бил уловен от амина“, предлага водещият автор на проучването Греъм Леверик.  „Това казва на бъдещите изследователи, че този процес може да бъде осъществим за промишлени потоци, където високи концентрации на въглероден диоксид могат ефективно да бъдат уловени и превърнати в полезни химикали и горива“.

„Това не е технология за премахване и е важно да се посочи това“, подчертава Галант. „Стойността, която той носи, е, че ни позволява да рециклираме въглероден диоксид няколко пъти, като същевременно поддържаме съществуващите индустриални процеси, за по-малко свързани емисии. В крайна сметка мечтата ми е електрохимичните системи да могат да се използват за улесняване на минерализацията и постоянното съхранение на CO2 – истинска технология за отстраняване. Това е по-дългосрочна визия. И голяма част от науката, която започваме да разбираме, е първа стъпка към проектирането на тези процеси.

Изследването е подкрепено от университета Sunway в Малайзия.

Оригиналното съобщение на MIT за проучването е достъпно ТУК.