Kemikere demonstrerer en bæredygtig tilgang til kuldioxidopsamling fra luften

Kemikere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har demonstreret en praktisk, energieffektiv metode til at fange kuldioxid (CO2) direkte fra luften. De rapporterer deres fund i Naturenergi . Hvis den installeres i stor skala og kobles til geologisk lager, Teknikken kan styrke porteføljen af ​​reaktioner på globale klimaændringer.

"Negative emissionsteknologier - til nettofjernelse af drivhusgasser fra atmosfæren - anses nu for at være afgørende for at stabilisere klimaet, " sagde Radu Custelcean fra ORNL, der undfangede og ledede undersøgelsen. Denne udtalelse gentager konklusionerne af en nylig rapport fra National Academy of Sciences. "Vores tilgang til direkte luftfangst giver grundlaget for en energibæredygtig teknologi til negative emissioner, " han tilføjede.

Præstationen bygger på et principbeskyttet studie, som kemikerne foretog sidste år, som blev forbedret gennem en to-cyklus proces, der dramatisk forbedrede hastigheden og kapaciteten af ​​CO2-absorption, og som fuldstændigt genbruger både aminosyresorbenten og guanidinforbindelsen.

Det er billigere og nemmere at reducere CO2-emissionerne ved deres kilde end at genvinde emissionerne fra atmosfæren. Uanset, storstilet anvendelse af teknologier såsom direkte luftopsamling af CO2 anses nu for at være nødvendig for at begrænse stigningen i den gennemsnitlige globale temperatur til 2 grader C (~4 grader Fahrenheit).

At begrænse opvarmningen til 2 grader C ville kræve at få fat i milliarder af tons, eller gigaton, CO2 fra atmosfæren. I princippet, træer kunne gøre det. Imidlertid, at opfange CO2 i denne skala, "Du bliver nødt til at plante træer på en overflade på størrelse med Indien, " sagde Custelcean. At fange et gigaton CO2 om året med industrielle scrubbere ville kun kræve cirka 7, 000 kvadratkilometer (~2, 700 kvadratkilometer) - et område mindre end den store ø Hawaii, sagde medforfatter Neil Williams.

Til den nylige ORNL-undersøgelse, Williams og Flavien Brethomé blandede aminosyrer med vand for at lave en vandig sorbent til at fange CO2 fra luften. Aminosyrer er sikrere end kaustiske natrium- eller kaliumhydroxider eller ildelugtende aminer, de sorbenter, der anvendes i industrielle CO2-scrubbere.

Forskerne putter deres vandige sorbent i en husholdningsfugter for at maksimere kontakten mellem luft og sorbent og dermed fremskynde CO2-optagelsen. Når først det er absorberet i væsken, CO2 dannede et bicarbonatsalt.

Kollega Charles Seipp havde designet og syntetiseret en organisk forbindelse indeholdende guanidiner, kemiske grupper almindelige i proteiner, der kan binde negativt ladede ioner. Williams og Brethomé tilføjede Seipps guanidinforbindelse til den fyldte aminosyresorbentopløsning, der indeholder bikarbonat, skabe et uopløseligt carbonatsalt, der fældede ud af opløsningen og regenererer aminosyresorbenten, som kunne genbruges.

En kritisk del af undersøgelsen var en grundig termodynamisk analyse af processen af ​​Custelcean og Michelle Kidder, der bestemte, hvor meget energi der var nødvendig for at drive hver kemisk reaktion. Det sidste trin - at frigive CO2 fra karbonatkrystallerne, så det kan lagres på lang sigt - er især vigtigt for at udvikle en energi-bæredygtig proces. Fordi CO2 er bundet i et fast guanidincarbonat, det kan frigives ved meget lavere temperaturer (80-160 grader C, eller 176–320 grader F) end fra de uorganiske salte, der anvendes i de nuværende indfangningsteknologier, som kræver temperaturer over 800 grader C (1, 472 grader F) for at frigive CO2. Alligevel, analysen viste, at den varme, der er nødvendig for at frigive CO2 fra guanidincarbonatkrystallerne, stadig er signifikant.

For at gøre den samlede proces energibæredygtig, Custelcean besluttede at anvende koncentreret solenergi. Han anskaffede sig en solcelledrevet ovn, bruges normalt til at lave mad ved hjælp af et parabolsk spejl til at koncentrere solens stråler. Guanidincarbonatkrystallerne blev placeret på en bakke inde i solovnen, og CO2 blev frigivet på så lidt som 2 minutter, i en proces, der regenererer guanidinforbindelsen til genbrug.

"Det er vigtigt at bruge vedvarende energi, fordi man så meget som muligt vil undgå at producere mere CO2 i processen med at forsøge at opfange det, " sagde Custelcean. Dette eksperiment brugte solvarme, men spildvarme – såsom fra klimaanlæg og kraftværker – ville også fungere, han sagde.

Bevæger sig fremad, forskerne vil gerne designe enklere, mere effektive guanidinbaserede sorbenter og få en bedre forståelse af det strukturelle, termodynamiske og mekanistiske aspekter af den direkte luftindfangningsproces.

"Alle krystaller, vi har lavet indtil videre, inkluderer vand, der hydrerer karbonatanionerne, Custelcean forklarede. "Når du forsøger at frigive CO2, du skal også desorbere vandet, og det tager det meste af energien. Vi forsøger at designe næste generations guanidinligander, der binder CO2'en som 'tørt' carbonat."

ORNLs proces i bænkskala kan i øjeblikket opsamle op til 100 gram CO2 på 24 timer.

Forskerne har ansøgt om patenter, der beskriver processen. Til næste fase, de søger en industriel partner til at opskalere processen fra borddemo til pilotanlæg og, til sidst, fuldskala industrianlæg.

Titlen på papiret er "Direkte luftopsamling af CO2 via vandfaseabsorption og krystallinsk fasefrigivelse ved hjælp af koncentreret solenergi."

DOE Office of Science støttede forskningen.