Ny teknik til opsamling af kuldioxid kan i høj grad reducere drivhusgasser fra kraftværker

Et stort fremskridt inden for kulstofopsamlingsteknologi kan give en effektiv og billig måde for naturgasværker at fjerne kuldioxid fra deres røggasemissioner, et nødvendigt skridt til at reducere drivhusgasemissioner til at bremse den globale opvarmning og klimaændringer.

Udviklet af forskere ved University of California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory og ExxonMobil, den nye teknik bruger et meget porøst materiale kaldet en metal-organisk ramme, eller MOF, modificeret med nitrogenholdige aminmolekyler for at fange CO ₂ og lav temperatur damp for at skylle CO ud ₂ til anden brug eller for at opsamle det under jorden.

I forsøg, teknikken viste en seks gange større kapacitet til fjernelse af CO ₂ fra røggas end den nuværende aminbaserede teknologi, og det var meget selektivt, fange mere end 90% af CO ₂ udsendes. Processen anvender lavtemperaturdamp til at regenerere MOF'en til gentagen brug, hvilket betyder, at der kræves mindre energi til kulstofopsamling.

"Til CO ₂ fange, dampstripping - hvor du bruger direkte kontakt med damp til at fjerne CO ₂ - har været en slags hellig gral for marken. Det ses med rette som den billigste måde at gøre det på, "sagde seniorforsker Jeffrey Long, UC Berkeley professor i kemi og kemisk og biomolekylær teknik og senior fakultetsforsker ved Berkeley Lab. "Disse materialer, i hvert fald fra de eksperimenter, vi har foretaget hidtil, ser meget lovende ud. "

Fordi der er lidt marked for de fleste fangede CO ₂ , kraftværker ville sandsynligvis pumpe det meste tilbage i jorden, eller aflevere det, hvor det ideelt set ville blive til sten. Omkostningerne ved at skrubbe emissionerne skulle lettes af regeringens politikker, såsom kulstofhandel eller en kulstofafgift, at stimulere CO ₂ indfangning og optagelse, noget mange lande allerede har implementeret.

Arbejdet blev finansieret af ExxonMobil, som arbejder med både Berkeley-gruppen og Longs opstart, Mosaic Materials Inc., at udvikle, skalere op og teste processer til fjernelse af CO ₂ fra emissioner.

Long er seniorforfatter af et papir, der beskriver den nye teknik, der vises i tidsskriftet 24. juli Videnskab .

"Vi var i stand til at tage den første opdagelse og gennem forskning og test, udlede et materiale, der i laboratorieforsøg har vist potentialet til ikke kun at fange CO ₂ under de ekstreme forhold, der er til stede i røggasemissioner fra naturgasværker, men for at gøre det uden tab i selektivitet, "sagde medforfatter Simon Weston, seniorforsker og projektleder hos ExxonMobil Research and Engineering Co. "Vi har vist, at disse nye materialer derefter kan regenereres med lavkvalitetsdamp til gentagen brug, at levere en vej til en levedygtig løsning til kulstoffangst i stor skala. "

Kuldioxidemissioner fra køretøjer, der brænder fossilt brændstof, elproducerende anlæg og industri står for anslået 65% af drivhusgasserne, der driver klimaforandringer, som allerede har øget Jordens gennemsnitstemperatur med 1,8 grader Fahrenheit (1 grad Celsius) siden 1800 -tallet. Uden et fald i disse emissioner, klimaforskere forudsiger stadig varmere temperaturer, mere uregelmæssige og voldsomme storme, flere fod havstigning og resulterende tørke, oversvømmelser, brande, hungersnød og konflikt.

"I virkeligheden, af den slags ting, som det mellemstatslige panel for klimaændringer siger, at vi skal gøre for at kontrollere den globale opvarmning, CO ₂ capture er en kæmpe del, "Sagde Long." Vi har ikke brug for det meste af CO ₂ at vi skal stoppe med at udsende, men vi skal gøre det. "

Afisolering

Kraftværker fjerner CO ₂ fra røggasemissioner i dag ved boblende røggasser gennem organiske aminer i vand, som binder og ekstraherer kuldioxiden. Væsken opvarmes derefter til 120-150 C (250-300 F) for at frigive CO ₂ gas, hvorefter væskerne genbruges. Hele processen forbruger omkring 30% af den producerede strøm. Anskaf det fangede CO ₂ underjordiske koster en ekstra, skønt lille, brøkdel af det.

For seks år siden, Long og hans gruppe i UC Berkeleys Center for Gasseparationer, som er finansieret af det amerikanske energiministerium, opdaget en kemisk modificeret MOF, der let fanger CO ₂ fra koncentrerede kraftværksrøgemissioner, muligvis reducere fangstomkostningerne med det halve. De tilføjede diaminmolekyler til et magnesiumbaseret MOF for at katalysere dannelsen af ​​polymerkæder af CO ₂ der derefter kunne renses ved skylning med en fugtig strøm af kuldioxid.

Fordi MOF'er er meget porøse, i dette tilfælde som en honningkage, en mængde vægten af ​​en papirclips har et indre overfladeareal svarende til en fodboldbane, alle tilgængelige til adsorberende gasser.

En stor fordel ved de amin-vedhæftede MOF'er er, at aminerne kan finjusteres for at fange CO ₂ i forskellige koncentrationer, spænder fra de 12% til 15%, der er typiske for kulværksemissioner til de 4%, der er typiske for naturgasanlæg, eller endda de meget lavere koncentrationer i omgivende luft. Mosaikmaterialer, som Long medstifter og leder, blev skabt for at gøre denne teknik bredt tilgængelig for kraft- og industrianlæg.

Men 180 C strøm af vand og CO ₂ nødvendig for at skylle det fangede CO ₂ til sidst driver diaminmolekylerne af, forkorte materialets levetid. Den nye version bruger fire aminmolekyler - en tetraamin - der er meget mere stabil ved høje temperaturer og i nærvær af damp.

"Tetraaminer er så stærkt bundet inden for MOF, at vi kan bruge en meget koncentreret strøm af vanddamp med nul CO ₂ , og hvis du prøvede det med de tidligere adsorbenter, dampen ville begynde at ødelægge materialet, "Sagde længe.

De viste, at direkte kontakt med damp ved 110-120 C-lidt over vandets kogepunkt-fungerer godt for at skylle CO ud ₂ . Damp ved denne temperatur er let tilgængelig i naturgaskraftværker, der henviser til, at 180 C CO ₂ -vandblanding, der kræves for at regenerere den tidligere modificerede MOF, nødvendiggjorde opvarmning, som spilder energi.

Når længe, Weston og deres kolleger tænkte først på at erstatte diaminer med hårdere tetraaminer, det virkede som et langskud. Men krystalstrukturer af de diaminholdige MOF'er antydede, at der kunne være måder at forbinde to diaminer til at danne en tetraamin, samtidig med at materialets evne til at polymerisere CO bevares ₂ . Da UC Berkeley -kandidatstuderende Eugene Kim, papirets første forfatter, kemisk skabt den tetraamin-tilføjede MOF, det klarede sig bedre end den diamant-tilføjede MOF ved første forsøg.

Forskerne undersøgte efterfølgende strukturen af ​​den modificerede MOF ved hjælp af Berkeley Labs Advanced Light Source, afslører, at CO ₂ polymerer, der beklæder porerne i MOF, er faktisk forbundet med tetraaminer, som en stige med tetraaminer som trin. Første principper beregninger af densitetsfunktionelle teorier ved hjælp af Cori-supercomputeren i Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), computerressourcer på Molecular Foundry og ressourcer fra campusens Berkeley Research Computing -program bekræftede denne bemærkelsesværdige struktur, som Longs team oprindeligt havde forestillet sig.

"Jeg har forsket på Cal i 23 år nu, og dette er en af ​​de gange, hvor du har det, der virkede som en skør idé, og det virkede bare med det samme, "Sagde længe.

Medforfattere med Long, Kim og Weston er Joseph Falkowski fra ExxonMobil; Rebecca Siegelman, Henry Jiang, Alexander Forse, Jeffrey Martell, Phillip Milner, Jeffrey Reimer og Jeffrey Neaton fra UC Berkeley; og Jung-Hoon Lee fra Berkeley Lab. Neaton og Reimer er også højtstående videnskabsfolk på Berkeley Lab.