Инженеры используют влагу, чтобы извлечь углекислый газ из воздуха

Графическая абстракция.Кредит: Экологические науки и технологические письма (2024).Doi: 10.1021/acs.estlett.3c00712

В углу лаборатории Келси Хатцелл находится небольшая банка, заполненная материалом, которая имеет способность далеко за пределами того, что предполагает его неописуемый внешний вид: способ захватить и высвободить углекислый газ из атмосферы, просто изменив окружающую влажность.

Материал может сократить затраты на энергию, связанные с так называемыми системами прямого захвата воздуха, которые условно полагаются на энергоемкость температуру или сдвиги давления для переключения между захватом углерода и высвобождением.Вместо этого полагаясь на влажность, материал может привести к повышению энергоэффективности в пять раз выше современных технологий.Исследователи сообщают о своих выводах в области экологических наук и техники.

Системы прямых воздушных захватов были объявлены способом борьбы с изменением климата, вытаскивая углекислый газ из воздуха, чтобы либо хранить навсегда под землей, либо конвертировать в полезный продукт.

«Был взрыв интереса к системам прямого захвата воздуха, потому что они не просто способ снизить выбросы углерода, но и фактически удалить их из атмосферы», - сказал лидер исследования Хатцелл, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники иЦентр энергетики и окружающей среды Andlinger, указывая на недавние усилия Министерства энергетики США на 3,5 миллиарда долларов США по разработке четырех региональных концентраторов с прямым воздухом по всей стране.

Несмотря на свое обещание, прямой захват воздуха подвергался тщательному анализу, поскольку для этого требуется больше энергии, чем практически любое другое применение углерода.Это связано с тем, что концентрация углекислого газа в окружающем воздухе чрезвычайно разбавлена, особенно по сравнению с отходом газа от эмиттера с точечным источником, такого как угольная электростанция.

Одним из самых энергоемких шагов является регенерация.После захвата углекислого газа из окружающего воздуха обычные системы требуют изменения тепла и/или давления, чтобы высвободить газ в хранение, чтобы система могла быть подготовлена для захвата большего количества углерода.В одном подходе с использованием жидкого растворителя этап регенерации требует нагревания материала захвата углерода до температуры от 300 до 900 ° C.

Напротив, предыдущие исследования показали, что регенерирование материалов захвата углерода с влажностью требует только добавления или удаления водяного пара.Такой подход резко сокращает энергию, необходимую для удаления тонны углекислого газа, от 4,1 Gigajoules, используя обычные методы до 0,7 Gigajoules - экономия энергии на тонну, превышающую энергию, используемую средним домохозяйством в США в месяц.

Для достижения основанного на влажности подход команда Принстона изменила существующий тип ионообменной смолы, материал, который может торговать заряженными частицами с окружающей средой.Эти смолы уже используются для ряда коммерческих целей, что делает их широко доступными и недорогими.

Более того, поверхности этих смол усеяны бесчисленными крошечными пор, только 6 нанометров в диаметре.Процесс улавливания углерода происходит внутри этих полостей.При низкой влажности серия химических реакций происходит в полях, которые позволяют им захватывать углекислый газ из потока входящего воздуха.При высокой влажности происходит обратное: материал высвобождает его связанный углерод и готовится к другому раунду захвата.

«Мы можем просто изменить количество водяного пара в системе, чтобы восстановить весь материал», - сказал первый автор Ягуанг Чжу, постдокторский исследователь в Центре энергетики и окружающей среды Андлингера.«Таким образом, мы можем минимизировать энергию, которую мы вкладываем в процесс».

Исследователи изучили способы контроля и модификации материалов в нано-масштабе, чтобы обеспечить более эффективное захват углерода в влаге.Они обнаружили, что загрузка пор очень основными, отрицательно заряженными ионами, такими как фосфат и карбонат, дает самую высокую способность захвата углерода.

Команда также исследовала физическую структуру ионной обменной смолы, чтобы информировать будущие стратегии проектирования для захвата углерода на основе влажности.Например, они обнаружили, что, хотя крошечные поры были важны для определения общего количества углекислого газа, которое можно было захватить, они мало влияли на фактическую скорость захвата.Как вместимость, так и скорость захвата являются важными соображениями для проектирования и масштабирования растений для удовлетворения будущих потребностей в сокращении выбросов.

Вместо этого материалы носят большие поры в дополнение к крошечным, могут захватывать и высвобождать углерод с гораздо более высокой скоростью, поскольку более крупные поры работали, чтобы быстро транспортировать воду в материал и из нее.

«Крошечные микропоры - всего несколько нанометров шириной - очень важны для обратимой реакции захвата углерода», - сказал Чжу.«Но мы обнаружили, что более крупные поры были более важными для транспортировки воды и, таким образом, оказывали сильное влияние на скорость захвата углерода».

Исследователи продолжают исследовать фундаментальную науку, лежащую в основе способности материала захватывать и освобождать в ответ на колебания влажности, но они отметили, что низкие затраты на энергетику технологии в сочетании с недорогими материалами делают его перспективным кандидатом на будущее.

В случае масштабирования подход регенерации, основанный на влажности, также может представлять интересные возможности для использования колебаний влаги, которые естественным образом возникают в окружающей среде, чтобы еще больше сократить затраты на энергоносители.Соавтор Остин Бут, аспирант по химической и биологической инженерии, сказал, что места, которые обычно колеблются между сухими и влажными условиями, могут быть идеальными для этого типа технологии.

«Вы можете себе представить, что в месте с ежедневной велосипедной влажностью вы можете теоретически управлять этим процессом практически без внешней энергии», - сказал Бут.

И хотя способности технологии улавливать углерода, естественно, поддаются применению в прямом эфире, Хатцелл сказал, что базовая наука может оказать влияние в ряде применений, в том числе в хранении энергии, - одна из ключевых областей исследования ее группы.

«Фундаментальная наука может применяться к ряду различных проблем с разделением в химической промышленности», - сказал Хатцелл.«В конечном итоге работа посвящена настройке химии материала, чтобы уменьшить энергию, необходимую для данного процесса, и такая информация имеет очень широкую привлекательность».

Больше информации: Yaguang Zhu et al., Влияние ограничения на прямой захват воздуха, экологические науки и технологические письма (2024).Doi: 10.1021/acs.estlett.3c00712