Ingeniører identificerer forbedrede membraner til at opfange CO2 på kulfyrede kraftværker

En beregningsmodelleringsmetode udviklet ved University of Pittsburghs Swanson School of Engineering kan hjælpe med at fremskynde identifikation og design af nye kulstofopsamlings- og lagringsmaterialer til brug af landets kulfyrede kraftværker. De hypotetiske blandede matrixmembraner ville give en mere økonomisk løsning end nuværende metoder, med en forventet pris på mindre end $50 pr. ton kuldioxid (CO ₂ ) fjernet.

Forskergruppen - ledet af Christopher Wilmer, assisterende professor i kemi- og petroleumsteknik, i samarbejde med co-etterforsker Jan Steckel, forsker ved U.S. Department of Energy's National Energy Technology Laboratory, og Pittsburgh-baserede AECOM-publicerede sine resultater i tidsskriftet Royal Society of Chemistry Energi- og miljøvidenskab ("High-throughput computational prediction of the cost of carbon capture using mixed matrix membranes").

"Polymermembraner er blevet brugt i årtier til at filtrere og rense materialer, men er begrænset i deres anvendelse til kulstoffangst og -lagring, " bemærkede Dr. Wilmer, der leder Hypotetisk Materiale Lab på Swanson School. "Blandede matrixmembraner, som er polymere membraner med små, uorganiske partikler spredt i materialet, viser ekstremt lovende på grund af deres separations- og permeabilitetsegenskaber. Imidlertid, antallet af potentielle polymerer og uorganiske partikler er betydeligt, og så det kan være skræmmende at finde den bedste kombination til kulstoffangst."

Ifølge Dr. Wilmer, forskerne byggede på deres omfattende forskning i metal-organiske rammer (MOF'er), som er meget porøse krystallinske materialer skabt via selvsamling af uorganisk metal med organiske linkere. Disse MOF'er, som kan lagre en større mængde gasser end traditionelle tanke, er meget alsidige og kan fremstilles af en række forskellige materialer og specialdesignet med specifikke egenskaber.

Dr. Wilmer og hans gruppe udforskede eksisterende databaser med hypotetiske og reelle MOF'er til deres forskning, hvilket resulterer i mere end en million potentielle blandede matrixmembraner. De sammenlignede derefter den forudsagte gasgennemtrængning af hvert materiale med offentliggjorte data, og evaluerede dem baseret på en tre-trins capture-proces. Variabler såsom flowhastighed, indfangningsbrøk, tryk- og temperaturforhold blev optimeret som en funktion af membranegenskaber med det formål at identificere specifikke blandede matrixmembraner, der ville give en overkommelig kulstoffangstomkostning. De potentielle implikationer for Wilmer-gruppens forskning er enorme. Selvom kulproducerede kraftværker i USA alene i øjeblikket kun repræsenterer 30 procent af landets energiportefølje, i 2017 bidrog de med den største andel på 1, 207 millioner tons CO ₂ , eller 69 procent af den samlede amerikanske energirelaterede CO ₂ emissioner fra hele den amerikanske el-sektor. (Kilde:U.S. Energy Information Administration.)

"Vores beregningsmodellering af både hypotetiske og reelle MOF'er resulterede i en ny database med mere end en million blandede matrixmembraner med tilsvarende CO ₂ opfange ydeevne og tilhørende omkostninger, " sagde Dr. Wilmer. "Yderligere tekno-økonomiske analyser gav 1, 153 blandede matrixmembraner med en kulstoffangstomkostning på mindre end $50 pr. ton fjernet. Dermed, potentialet eksisterer for at skabe et økonomisk overkommeligt og effektivt middel til CO ₂ indfangning på kulkraftværker over hele verden og effektivt tackling af en betydelig kilde til fossilt brændstof-genereret kuldioxid i atmosfæren."