Biologisk inspireret membran renser kulfyret røg for drivhusgasser

En biologisk inspireret membran beregnet til at rense kuldioxid næsten fuldstændigt fra røgen fra kulfyrede kraftværker er blevet udviklet af forskere ved Sandia National Laboratories og University of New Mexico.

Det patenterede værk, rapporteret for nylig i Naturkommunikation , har interesseret el- og energiselskaber, der gerne vil reducere udledningen af ​​kuldioxid markant og billigt, en af ​​de mest udbredte drivhusgasser, og udforske andre mulige anvendelser af opfindelsen.

Memzymet opfylder Department of Energy's standarder ved at opfange 90 procent af kraftværkets kuldioxidproduktion til en relativt lav pris på $40 pr. ton.

Forskere kalder membranen et "memzyme", fordi den fungerer som et filter, men er næsten mættet med et enzym, kulsyreanhydrase, udviklet af levende celler over millioner af år for at hjælpe med at slippe af med kuldioxid effektivt og hurtigt.

"Til dato, at fjerne kuldioxid fra røg har været uoverkommeligt dyrt ved at bruge den tykke, solid, polymermembraner, der i øjeblikket er tilgængelige, " siger Jeff Brinker, en Sandia fyr, Regentprofessor ved University of New Mexico og avisens hovedforfatter.

"Vores billige metode følger naturens førende i vores brug af en vandbaseret membran, der kun er 18 nanometer tyk, og som inkorporerer naturlige enzymer for at opfange 90 procent af kuldioxiden, der frigives. (En nanometer er omkring 1/700 af diameteren af ​​et menneskehår.) Dette er næsten 70 procent bedre end de nuværende kommercielle metoder, og det er gjort til en brøkdel af prisen."

Kulkraftværker er en af ​​USAs største energiproducenter, men de er blevet kritiseret af nogle for at sende mere kuldioxid ud i atmosfæren end nogen anden form for elproduktion. Stadig, kulafbrænding i Kina, Indien og andre lande betyder, at amerikansk afholdenhed alene sandsynligvis ikke løser verdens klimaproblemer.

Men, siger Brinker, "måske vil teknologien."

Enhedens dannelse begynder med en tørreproces kaldet fordampningsinduceret selvsamling, først udviklet på Sandia af Brinker for 20 år siden og en studieretning i sig selv.

Proceduren skaber en tætpakket række af silica-nanoporer designet til at rumme kulsyreanhydrase-enzymet og holde det stabilt. Dette gøres i flere trin. Først, rækken, som kan være 100 nanometer lang, behandles med en teknik kaldet atomlagsdeposition for at gøre nanopore overfladen vand-avers eller hydrofob. Dette efterfølges af en oxygenplasmabehandling, der overlejrer den vandskyende overflade for at gøre nanoporerne vandelskende eller hydrofile, men kun til en dybde på 18 nanometer. En opløsning af enzymet og vandet fyldes spontant op og stabiliseres i den vandelskende del af nanoporerne. Dette skaber membraner af vand 18 nanometer tykke, med en kulsyreanhydrasekoncentration 10 gange større end vandige opløsninger fremstillet til dato.

Løsningen, hjemme i sit vandelskende ærme, er stabil. Men på grund af enzymets evne til hurtigt og selektivt at opløse kuldioxid, den katalytiske membran har evnen til at fange det overvældende flertal af kuldioxid-molekyler, der støder op mod den fra en stigende sky af kulrøg. De krogede molekyler passerer derefter hurtigt gennem membranerne, drevet udelukkende af en naturligt forekommende trykgradient forårsaget af det store antal kuldioxidmolekyler på den ene side af membranen og deres sammenlignelige fravær på den anden side. Den kemiske proces omdanner gassen kortvarigt til kulsyre og derefter bicarbonat, før den forlader umiddelbart nedstrøms som kuldioxidgas. Gassen kan høstes med 99 procent renhed - så ren, at den kan bruges af olieselskaber til ressourceudvinding. Andre molekyler passerer uforstyrret forbi membranens overflade. Enzymet kan genbruges, og fordi vandet tjener som et medium snarere end en skuespiller, behøver ikke udskiftning.

Nanoporerne tørrer ud over længere perioder på grund af fordampning. Dette vil blive kontrolleret af vanddamp, der stiger op fra lavere vandbade, der allerede er installeret i kraftværker for at reducere svovlemissioner. Og, enzymer, der er beskadiget ved brug over tid, kan nemt erstattes.

siger Brinker, "Den meget høje koncentration af kulsyreanhydrase, sammen med tyndheden af ​​vandkanalen, resultere i meget høj kuldioxidflux gennem membranen. Jo større koncentrationen af ​​kulsyreanhydrase, jo større flux. Jo tyndere membranen er, jo større flux."

Membranens arrangement i en generatorstations aftræk vil være som en katalysator i en bil, foreslår Brinker. Membranerne ville sidde på den indre overflade af et rør arrangeret som en honningkage. Røggassen ville strømme gennem det membranindlejrede rør, med en kuldioxidfri gasstrøm på ydersiden af ​​rørene. Variering af rørlængden og diameteren ville optimere kuldioxidekstraktionsprocessen.

"Energiselskaber og olie- og gasselskaber har udtrykt interesse for at optimere gasfiltrene til specifikke forhold, " siger Susan Rempe, Sandia-forsker og medforfatter, som foreslog og udviklede ideen om at indsætte kulsyreanhydrase i vandopløsningen for at forbedre hastigheden, hvormed kuldioxid kunne optages og frigives fra membranen. "Enzymet kan katalysere opløsningen af ​​en million kuldioxidmolekyler i sekundet, forbedrer processens hastighed betydeligt. Med optimering fra branche, memzymet kunne gøre elproduktion billig og grøn, " hun siger.

Separationsprocessen kan øge mængden af ​​brændstof opnået ved øget olieudvinding ved hjælp af kuldioxid indsprøjtet i eksisterende reservoirer.

Et lidt anderledes enzym, bruges i samme proces, kan omdanne metan - en endnu mere potent drivhusgas - til den mere opløselige methanol til fjernelse, hun siger.

Forudgående rensning med industrielle scrubbere betyder, at den opstigende røg vil være ren nok til ikke at forringe membraneffektiviteten væsentligt, siger University of New Mexico professor og papirmedforfatter Ying-Bing Jiang, som opstod og udviklede ideen om at bruge vandige membraner baseret på menneskekroppens processer til at udskille kuldioxid. Membranerne har fungeret effektivt i laboratoriemiljøer i flere måneder.

Proceduren kunne også binde kuldioxid på et rumfartøj, forfatterne nævner, fordi membranerne fungerer ved omgivelsestemperaturer og udelukkende drives af kemiske gradienter.