En svamp til at opsuge kuldioxid i luften

Menneskelig aktivitet fører nu til, hvad der svarer til 40 milliarder tons kuldioxid, der udsendes til atmosfæren hvert år, sætter os på rette spor til at øge planetens temperatur med 1,5 grader Celsius i forhold til førindustrielle niveauer inden 2040. Ifølge Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vi må begrænse den globale opvarmning til 1,5 grader Celsius for at undgå de farligste konsekvenser af klimaændringer.

I stigende grad, videnskabsmænd erkender, at negative emissionsteknologier (NET) til at fjerne og binde kuldioxid fra atmosfæren vil være en væsentlig komponent i strategien til at afbøde klimaændringer. Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), et tværfagligt Institut for Energiforskningslaboratorium, forfølger en portefølje af negative emissionsteknologier og relateret forskning. Disse spænder fra geologisk og terrestrisk sekvestration, til konvertering til bioprodukter, til termiske reaktorer til brintbrændsler.

En lovende teknologi under udvikling til NET er kulstoffangst ved hjælp af et materiale kaldet en MOF, eller metal-organisk ramme. Jeffrey Long, en seniorforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og også professor ved UC Berkeley's College of Chemistry, har arbejdet med dette unikke materiale i en årrække.

Sp. Hvad er en MOF, og hvilken rolle kan den spille med at reducere CO ₂ emissioner?

en MOF, eller metal-organiske rammer, er en type fast materiale, der er meget porøst og opfører sig som en svamp, i stand til at opsuge store mængder af et specifikt gasmolekyle, såsom kuldioxid. De har eksisteret i omkring 20 år, og der har været en eksplosion i forskningen i det sidste årti, efterhånden som videnskabsmænd finder flere og flere praktiske anvendelser. Det, der er karakteristisk ved MOF'er, er, at de har ekstremt høje indre overfladearealer. Bare et gram MOF, en mængde svarende til en terning sukker, kan have et areal større end en fodboldbane. Følgelig, hvis designet korrekt, en lille mængde MOF kan fjerne en enorm mængde CO ₂ fra udstødningsgassen produceret ved forbrænding af fossile brændstoffer.

Vi gjorde en serendipital opdagelse for et par år siden, at visse MOF'er kan fange kuldioxid gennem en hidtil uset switch-lignende mekanisme. Vi har yderligere optimeret materialet til effektiv fjernelse af CO ₂ fra et kraftværks aftræk, før gassen kommer ud i atmosfæren. Vi viste, at indfangning og frigivelse af kuldioxid fra MOF kunne opnås ved hjælp af meget mindre temperaturændringer end krævet for andre teknologier, giver det en stor fordel i forhold til konventionelle måder at fange CO på ₂ . (Den adsorberede CO ₂ kan derefter bruges i andre produkter.) Denne strategi eliminerer behovet for at omdirigere høj værdi, høj temperatur damp væk fra elproduktion, undgå en stor stigning i elprisen. I løbet af disse bestræbelser, vi viste også, at varianter af MOF'erne kunne være effektive til fjernelse af CO ₂ fra andre gasblandinger, herunder biogas, naturgas, og endda direkte fra luften.

Til direkte luftindfangning, MOF'er er den bedste måde, vi har at gøre det på, som jeg ser. For kulstoffangstdelen af ​​BECCS (eller bioenergi med kulstoffangst og -lagring, en ny teknologi til negative emissioner), hvor du i det væsentlige dyrker træer eller afgrøder, forbrænding af dem til brændstof, derefter indfange og opsætte det CO ₂ , Jeg tror, ​​at MOF'er også kunne gøre optagelsesdelen bedre end noget andet materiale.

Q. Det lyder meget lovende. Hvad er status for denne teknologi nu? Bliver det brugt kommercielt?

Et startup firma kaldet Mosaic Materials (hvori jeg har en økonomisk interesse) blev dannet i 2014 for at forfølge kommerciel produktion af MOF'er til forskellige CO ₂ separationsprocesser. Hos Berkeley Lab leder vi et projekt finansieret gennem National Energy Technology Laboratory (NETL), hvor vi arbejder sammen med Mosaic Materials og et canadisk ingeniørfirma ved navn Svante for at udføre en pilotdemonstration for et kulfyret kraftværks røggas.

Her, brug af MOF i et unikt roterende sengesystem kan opnå hurtige optagelses-frigivelsescyklustider og reduceret energiforbrug. Ultimativt, det er forudset, at udbredt kommerciel udbredelse af sådan teknologi kan resultere i en dramatisk reduktion i omkostningerne og energien forbundet med kulstoffangst, som det nødvendigvis bliver implementeret over hele kloden.

Andre steder, MOF'er er i kommerciel brug til sikker opbevaring af andre farlige gasser. Til CO2-opsamling, Jeg vil sige, at de nu er tæt på at være klar til kommerciel implementering.

Q. Hvis det er tilfældet, hvilken yderligere forskning om MOF'er er der så brug for?

Vi er nødt til at sænke omkostningerne ved direkte luftfangst dramatisk. Det er meget dyrt at lave nu. Der er virksomheder, der allerede gør det - de bygger enheder med ventilatorer, der blæser luft gennem enheder, der indeholder porøse materialer - men materialerne i brug er ikke særlig effektive, gør enhederne ekstremt dyre i drift. Omkostningerne ved at fjerne CO ₂ med en sådan teknologi er i øjeblikket i størrelsesordenen $500 til $1, 000 pr ton. Vi er nødt til at udtænke materialer med højere ydeevne for at hjælpe med at få omkostningerne ned under $100 pr. ton.

Hovedproblemet bag disse høje omkostninger er mængden af ​​energi, der kræves for at regenerere adsorbenten - dvs. for at frigive CO ₂ i ren form, så materialet derefter kan bruges igen til at fange mere CO ₂ . Her, vi tror, ​​at den kooperative adsorptionsmekanisme, der er tilgængelig i MOF'er, betydeligt kan reducere varme- og vakuumkravene til regenerering.

En anden overvejelse, selvom, er den energi, der kræves til at blæse luft. Hvis der kommer en luftstrøm ind, er det 410 dele per million CO ₂ , en af ​​vanskelighederne er, at de fleste materialer kan fjerne en lille mængde af det og sænke CO ₂ koncentration til, sige, 300 ppm, opfanger 25% af CO ₂ . Det er det, der kaldes capture rate. Og så for at fange mere, du skal grundlæggende strømme mere luft gennem materialet for at fylde det op.

Men med en fangsthastighed på, sige, 90% kunne du sænke CO ₂ koncentration til 40 dele pr. million med et enkelt gennemløb. Det betyder, at du blæser meget mindre luft for at fjerne CO ₂ og dermed spare energi.

Et af vores forskningsmål er at udvikle materialer, der har en høj kapacitet, høj fangsthastighed, hurtig kinetik for CO ₂ adsorption, og en lav regenereringstemperatur, mens du også begrænser co-adsorptionen af ​​vand, så du ikke spilder energi på dets desorption, hvis du ikke har brug for det. Kinetikken betyder, hvor hurtigt CO ₂ optages af materialet.

Jeg tror, ​​der er en vej til at komme til under $100 pr. ton CO ₂ fjernet fra luften. Der mangler stadig en masse forskning for at nå dertil. Vi er nødt til virkelig at genoverveje nogle af de måder, materialerne er designet på og forstå, hvordan man manipulerer ting som delta-S (entropi) for CO ₂ adsorption, så der kræves mindre varme til CO ₂ frigøre.