Ingeniører udvikler en ny måde at fjerne kuldioxid fra luften

En ny måde at fjerne kuldioxid fra en luftstrøm kan være et vigtigt redskab i kampen mod klimaændringer. Det nye system kan arbejde på gassen i stort set ethvert koncentrationsniveau, endda ned til de cirka 400 dele pr. million, der i øjeblikket findes i atmosfæren.

De fleste metoder til fjernelse af kuldioxid fra en gasstrøm kræver højere koncentrationer, såsom dem, der findes i røggasemissionerne fra fossile brændstofbaserede kraftværker. Der er udviklet et par variationer, der kan arbejde med de lave koncentrationer, der findes i luft, men den nye metode er betydeligt mindre energikrævende og dyr, siger forskerne.

Teknikken, baseret på at føre luft gennem en stak ladede elektrokemiske plader, er beskrevet i et nyt papir i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab , af MIT postdoc Sahag Voskian, der udviklede arbejdet under sin ph.d. og T. Alan Hatton, Ralph Landau professor i kemiteknik.

Enheden er i det væsentlige en stor, specialiseret batteri, der absorberer kuldioxid fra luften (eller anden gasstrøm), der passerer over dets elektroder, når det oplades, og frigiver derefter gassen, når den udledes. I Operation, enheden ville simpelthen skifte mellem opladning og afladning, med frisk luft eller fodergas, der blæser gennem systemet under opladningscyklussen, og derefter den rene, koncentreret kuldioxid blæses ud under udledningen.

Når batteriet oplades, en elektrokemisk reaktion finder sted på overfladen af ​​hver af en stak elektroder. Disse er belagt med en forbindelse kaldet polyanthraquinon, som er sammensat med carbon nanorør. Elektroderne har en naturlig affinitet for kuldioxid og reagerer let med dets molekyler i luftstrømmen eller fodergas, selv når den er til stede ved meget lave koncentrationer. Den modsatte reaktion finder sted, når batteriet er afladet - hvor enheden kan levere en del af den nødvendige strøm til hele systemet - og i processen udsender en strøm af rent kuldioxid. Hele systemet fungerer ved stuetemperatur og normalt lufttryk.

"Den største fordel ved denne teknologi i forhold til de fleste andre kulstofopsamlings- eller kulstofabsorberende teknologier er den binære karakter af adsorbentets affinitet til kuldioxid, "forklarer Voskian. Med andre ord, elektrodematerialet, efter sin natur, "har enten en høj affinitet eller overhovedet ingen affinitet, "afhængigt af batteriets tilstand af opladning eller afladning. Andre reaktioner, der bruges til kulstofopsamling, kræver mellemliggende kemiske behandlingstrin eller input af betydelig energi, såsom varme, eller trykforskelle.

"Denne binære affinitet tillader opsamling af kuldioxid fra enhver koncentration, inklusive 400 dele pr. million, og tillader dets frigivelse i enhver bærestrøm, inklusive 100 procent CO ₂ , "Siger Voskian. Det vil sige, når enhver gas strømmer gennem stakken af ​​disse flade elektrokemiske celler, under frigivelsestrinet vil det opsamlede kuldioxid blive transporteret sammen med det. For eksempel, hvis det ønskede slutprodukt er rent kuldioxid, der skal bruges til kulsyreholdige drikkevarer, derefter kan en strøm af den rene gas blæses gennem pladerne. Den opsamlede gas frigives derefter fra pladerne og slutter sig til strømmen.

I nogle aftapningsanlæg til sodavand, fossilt brændsel forbrændes for at generere den kuldioxid, der er nødvendig for at give drikkevarerne deres fizz. Tilsvarende nogle landmænd brænder naturgas for at producere kuldioxid for at fodre deres planter i drivhuse. Det nye system kunne fjerne behovet for fossile brændstoffer i disse applikationer, og i processen faktisk tage drivhusgassen direkte ud af luften, Voskian siger. Alternativt kan den rene kuldioxidstrøm kunne komprimeres og injiceres under jorden til langsigtet bortskaffelse, eller endda gjort til brændstof gennem en række kemiske og elektrokemiske processer.

Processen, dette system anvender til opsamling og frigivelse af kuldioxid, er "revolutionerende", siger han. "Alt dette er under omgivelsesbetingelser - der er ikke behov for termisk, tryk, eller kemisk input. Det er bare disse meget tynde plader, med begge overflader aktive, der kan stables i en kasse og tilsluttes en strømkilde. "

"I mine laboratorier, vi har bestræbt os på at udvikle nye teknologier til at tackle en række miljøspørgsmål, der undgår behovet for termiske energikilder, ændringer i systemtrykket, eller tilsætning af kemikalier for at fuldføre separations- og frigivelsescyklusser, "Hatton siger." Denne kuldioxidindfangningsteknologi er en klar demonstration af kraften i elektrokemiske fremgangsmåder, der kun kræver små svingninger i spænding for at drive adskillelserne. "

I et arbejdende anlæg - f.eks. i et kraftværk, hvor der konstant produceres udstødningsgas - to sæt af sådanne stakke af de elektrokemiske celler kunne opsættes side om side for at fungere parallelt, med røggas først rettet mod ét sæt til kulstofopsamling, derefter omdirigeret til det andet sæt, mens det første sæt går ind i dens udladningscyklus. Ved at skifte frem og tilbage, systemet kunne altid være både opsamling og afladning af gassen. I laboratoriet, teamet har bevist, at systemet kan modstå mindst 7, 000 opladnings-afladningscyklusser, med et effektivitetstab på 30 procent i løbet af den tid. Forskerne vurderer, at de let kan forbedre det til 20, 000 til 50, 000 cykler.

Elektroderne selv kan fremstilles ved standard kemiske behandlingsmetoder. Selvom dette i dag udføres i et laboratorium, den kan tilpasses, så de i sidste ende kan fremstilles i store mængder gennem en fremstillingsproces, der ligner en avisprinter, Voskian siger. "Vi har udviklet meget omkostningseffektive teknikker, " han siger, anslår, at det kunne produceres for noget som titusinde dollars pr. kvadratmeter elektrode.

Sammenlignet med andre eksisterende carbon capture -teknologier, dette system er ret energieffektivt, bruger omkring en gigajoule energi pr. ton opsamlet kuldioxid, konsekvent. Andre eksisterende metoder har energiforbrug, der varierer mellem en til 10 gigajoule pr. Ton, afhængigt af indløbets kuldioxidkoncentration, Voskian siger.

Forskerne har oprettet et firma ved navn Verdox for at kommercialisere processen, og håber at udvikle et pilotanlæg inden for de næste par år, han siger. Og systemet er meget let at skalere op, han siger:"Hvis du vil have mere kapacitet, du skal bare lave flere elektroder. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.