Процесс может работать для углекислого газа в любых концентрациях, от выбросов электростанции до открытого воздуха, - пишет eurekalert.org.
Новый способ удаления углекислого газа из потока воздуха может стать важным инструментом в борьбе с изменением климата. Новая система может работать для газа практически при любом уровне концентрации, даже до примерно 400 частей на миллион, находящихся в настоящее время в атмосфере.
Большинство методов удаления диоксида углерода из газового потока требуют более высоких концентраций, таких как те, которые обнаруживаются в выбросах дымовых газов от электростанций на основе ископаемого топлива. Исследователи утверждают, что было разработано несколько вариантов, которые могут работать с низкими концентрациями в воздухе, но новый метод значительно менее энергоемок и дорог.
Техника, основанная на пропускании воздуха через стопку заряженных электрохимических пластин, описана в новой статье в журнале Energy and Environmental Science постдоком Массачусетсткого технологического института Саагом Воскяном, который разработал этот метод во время своей докторской диссертации вместе с T. Аланом Хаттоном – профессором химического машиностроения.
Устройство представляет собой большую специализированную батарею, которая поглощает углекислый газ из воздуха (или другого потока газа), проходящего через его электроды, по мере его зарядки, а затем выпускает газ по мере его разрядки. При работе устройство будет просто чередовать зарядку и разрядку, при этом во время цикла зарядки свежий воздух или подаваемый газ продувается через систему, а во время разрядки - чистый концентрированный диоксид углерода выдувается из нее.
Когда батарея заряжается, на поверхности каждого пакета электродов происходит электрохимическая реакция. Электроды покрыты составом, называемым полиантрахиноном, который состоит из углеродных нанотрубок. Электроды имеют естественное родство с углекислым газом и легко реагируют с его молекулами в потоке воздуха или в подаваемом газе, даже когда он присутствует в очень низких концентрациях. Обратная реакция имеет место, когда батарея разряжена - во время нее устройство может обеспечить часть энергии, необходимой для всей системы, - и в процессе выбрасывает поток чистого углекислого газа. Вся система работает при комнатной температуре и нормальном давлении воздуха.
«Наибольшим преимуществом этой технологии перед другими методами улавливания или поглощения углерода является бинарный характер родства адсорбента и диоксида углерода», - объясняет Воскян. Другими словами, материал электрода по своей природе «обладает либо высоким сходством, либо отсутствием сходства», в зависимости от состояния зарядки или разрядки батареи. Другие реакции, используемые для улавливания углерода, требуют промежуточных стадий химической обработки или использования дополнительной энергии, такой как тепло или перепады давления.
«Это бинарное родство позволяет захватывать углекислый газ любой концентрации, включая 400 частей на миллион, и выпускать его в любой поток-носитель, включая 100% CO2», - говорит Воскян. То есть, когда любой газ протекает через набор этих плоских электрохимических ячеек, на этапе разрядки захваченный углекислый газ будет переноситься вместе с ним. Например, если желаемый конечный продукт представляет собой чистый диоксид углерода для использования при газировании напитков, тогда поток чистого газа можно продуть через плато. Захваченный газ затем выпускается из пластин и присоединяется к потоку.
На некоторых заводах по розливу безалкогольных напитков ископаемое топливо сжигается для производства углекислого газа, необходимого для того, чтобы напиток стал газированным. Точно так же некоторые фермеры сжигают природный газ для производства углекислого газа, чтобы кормить свои растения в теплицах. Воскян говорит, что новая система может устранить эту потребность в ископаемом топливе в этих применениях, и в процессе фактически выводить парниковый газ прямо из воздуха. В качестве альтернативы поток чистого диоксида углерода может быть сжат и закачан под землю для долгосрочной утилизации или даже превращен в топливо посредством ряда химических и электрохимических процессов.
Процесс, который эта система использует для улавливания и выделения углекислого газа, «революционен», говорит Воскян и добавляет: «Все это происходит в условиях окружающей среды - нет необходимости в подаче тепла, давления или химикатов. Эти очень тонкие листы с обеими активными поверхностями можно укладывать в коробку и подключать к источнику электричества».
«В моих лабораториях мы стремились разработать новые технологии для решения ряда экологических проблем, позволяющих избежать необходимость использования источников тепловой энергии, изменений системного давления или добавления химикатов для завершения циклов разделения и выпуска, - говорит Хаттон. - Эта технология улавливания углекислого газа является наглядной демонстрацией силы электрохимических подходов, которые требуют лишь небольших перепадов напряжения для разделения».
На работающей установке - например, на электростанции, где выхлопные газы производятся непрерывно, - два комплекта таких блоков электрохимических ячеек могут быть установлены рядом для параллельной работы, причем дымовые газы сначала направляются в один набор для улавливания углерода, затем перенаправляется на второй набор, в то время как первый набор входит в свой цикл разряда. Чередуя заряд и разряд, система всегда может захватывать и выпускать газ. В лаборатории команда доказала, что система способна выдерживать не менее 7000 циклов зарядки-разрядки с потерей эффективности на 30 процентов за все время. Исследователи считают, что они могут легко улучшить это до 20 000 - 50 000 циклов.
Сами электроды могут быть изготовлены стандартными методами химической обработки. Несмотря на то, что сегодня это делается в лабораторных условиях, в конечном итоге такие устройства можно будет изготавливать в больших количествах с помощью рулонного процесса производства, похожего на газетный типограф, говорит Воскян. «Мы разработали очень рентабельные методы», - говорит он, оценивая, что это может быть произведено примерно за десятки долларов за квадратный метр электрода.
По сравнению с другими существующими технологиями улавливания углерода, эта система является достаточно энергоэффективной, последовательно расходуя около одного гигаджоуля энергии на тонну захваченного диоксида углерода. По словам Воскяна, в других существующих методах потребление энергии варьируется от 1 до 10 гигаджоулей на тонну в зависимости от концентрации углекислого газа на входе.
Воскян рассказал, что исследователи создали компанию «Verdox» для коммерциализации процесса и надеются в ближайшие несколько лет разработать экспериментальную установку. Эту систему очень легко масштабировать, говорит он: «Если вам нужна большая емкость, вам просто нужно сделать больше электродов».
[Фото: eurekalert.org]
