W wyścigu mającym na celu ograniczenie emisji gazów cieplarnianych na całym świecie, naukowcy z MIT poszukują technologii wychwytywania dwutlenku węgla w celu dekarbonizacji najbardziej upartych emitentów przemysłowych.
Produkcja stali, cementu i chemikaliów to branże szczególnie trudne do dekarbonizacji, ponieważ węgiel i paliwa kopalne są nieodłącznymi składnikami ich produkcji. Technologie, które mogą wychwytywać emisje dwutlenku węgla i przekształcać je w formy, które zasilają z powrotem proces produkcyjny, mogą pomóc w zmniejszeniu ogólnych emisji z tych „trudnych do zlikwidowania” sektorów.
Jak dotąd jednak, eksperymentalne technologie wychwytywania i przekształcania dwutlenku węgla działają jako dwa oddzielne procesy, które same w sobie wymagają ogromnej ilości energii do uruchomienia. Zespół MIT chce połączyć te dwa procesy w jeden zintegrowany i znacznie bardziej energooszczędny system, który mógłby potencjalnie działać na energii odnawialnej, zarówno w celu wychwytywania, jak i przekształcania dwutlenku węgla ze skoncentrowanych, przemysłowych źródeł.
W badaniu opublikowanym w ACS Catalysis, naukowcy ujawniają ukryte działanie sposobu, w jaki dwutlenek węgla może być zarówno wychwytywany, jak i przekształcany w jednym procesie elektrochemicznym. Proces ten polega na wykorzystaniu elektrody do przyciągnięcia dwutlenku węgla uwolnionego z sorbentu i przekształcenia go w zredukowaną formę nadającą się do ponownego wykorzystania.
Inni donosili o podobnych demonstracjach, ale mechanizmy napędzające reakcję elektrochemiczną pozostawały niejasne. Zespół MIT przeprowadził szeroko zakrojone eksperymenty w celu określenia tego czynnika i odkrył, że ostatecznie sprowadza się on do ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla. Innymi słowy, im więcej czystego dwutlenku węgla wchodzi w kontakt z elektrodą, tym skuteczniej może ona wychwytywać i przekształcać tę cząsteczkę.
Znajomość tego głównego czynnika lub „aktywnego gatunku” może pomóc naukowcom w dostrojeniu i optymalizacji podobnych systemów elektrochemicznych w celu skutecznego wychwytywania i przekształcania dwutlenku węgla w zintegrowanym procesie.
Wyniki badania sugerują, że chociaż te systemy elektrochemiczne prawdopodobnie nie sprawdziłyby się w bardzo rozcieńczonych środowiskach (na przykład do wychwytywania i przekształcania emisji dwutlenku węgla bezpośrednio z powietrza), byłyby one dobrze dostosowane do wysoce skoncentrowanych emisji generowanych przez procesy przemysłowe, szczególnie te, które nie mają oczywistej alternatywy odnawialnej.
„Możemy i powinniśmy przejść na odnawialne źródła energii elektrycznej. Jednak głęboka dekarbonizacja branż takich jak produkcja cementu czy stali jest trudna i zajmie więcej czasu” – powiedział autor badania Betar Gallant, profesor nadzwyczajny ds. rozwoju kariery z klasy 1922 w MIT. „Nawet jeśli pozbędziemy się wszystkich naszych elektrowni, potrzebujemy pewnych rozwiązań, aby poradzić sobie z emisjami z innych gałęzi przemysłu w krótszej perspektywie, zanim będziemy mogli je w pełni zdekarbonizować. To właśnie tam widzimy najlepsze miejsce, w którym coś takiego jak ten system mogłoby pasować”.
Współautorami badania MIT są główny autor i postdoc Graham Leverick oraz doktorantka Elizabeth Bernhardt, a także Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman i Mohamed Kheireddine Aroua z Sunway University w Malezji.
Zerwanie więzi
Technologie wychwytywania dwutlenku węgla mają na celu wychwytywanie emisji lub „gazów spalinowych” z kominów elektrowni i zakładów produkcyjnych. Odbywa się to głównie przy użyciu dużych modernizacji, aby skierować emisje do komór wypełnionych roztworem „wychwytującym” – mieszanką amin lub związków na bazie amoniaku, które chemicznie wiążą się z dwutlenkiem węgla, tworząc stabilną formę, którą można oddzielić od reszty gazów spalinowych.
Następnie stosowane są wysokie temperatury, zazwyczaj w postaci pary wytwarzanej z paliw kopalnych, w celu uwolnienia wychwyconego dwutlenku węgla z jego wiązań aminowych. W czystej postaci gaz może być następnie pompowany do zbiorników magazynowych lub pod ziemię, mineralizowany lub dalej przekształcany w chemikalia lub paliwa.
„Wychwytywanie dwutlenku węgla jest dojrzałą technologią, ponieważ chemia jest znana od około 100 lat, ale wymaga naprawdę dużych instalacji i jest dość droga i energochłonna w eksploatacji” – powiedział Gallant. „Chcemy technologii, które są bardziej modułowe i elastyczne i mogą być dostosowane do bardziej zróżnicowanych źródeł dwutlenku węgla. Systemy elektrochemiczne mogą w tym pomóc”.
Jej grupa na MIT opracowuje system elektrochemiczny, który zarówno odzyskuje wychwycony dwutlenek węgla, jak i przekształca go w zredukowany, użyteczny produkt. Taki zintegrowany system, a nie odłączony, mógłby być w całości zasilany odnawialną energią elektryczną, a nie parą pochodzącą z paliw kopalnych.
Ich koncepcja koncentruje się na elektrodzie, która pasowałaby do istniejących komór roztworów wychwytujących węgiel. Po przyłożeniu napięcia do elektrody, elektrony przepływają do reaktywnej formy dwutlenku węgla i przekształcają go w produkt przy użyciu protonów dostarczanych z wody. Dzięki temu sorbent jest dostępny do wiązania większej ilości dwutlenku węgla, zamiast wykorzystywać do tego parę wodną.
Gallant wcześniej wykazał, że ten elektrochemiczny proces może działać w celu wychwytywania i przekształcania dwutlenku węgla w stałą formę węglanową.
„Pokazaliśmy, że ten proces elektrochemiczny jest wykonalny w bardzo wczesnych koncepcjach” – powiedziała. „Od tego czasu prowadzono inne badania koncentrujące się na wykorzystaniu tego procesu do produkcji użytecznych chemikaliów i paliw. Nie było jednak spójnych wyjaśnień, jak te reakcje działają pod maską”.
Solo CO2
W nowym badaniu zespół MIT wziął pod lupę konkretne reakcje napędzające proces elektrochemiczny. W laboratorium wygenerowali roztwory amin, które przypominają przemysłowe roztwory wychwytujące stosowane do ekstrakcji dwutlenku węgla z gazów spalinowych. Metodycznie zmieniali różne właściwości każdego roztworu, takie jak pH, stężenie i rodzaj aminy, a następnie przepuszczali każdy roztwór przez elektrodę wykonaną ze srebra – metalu szeroko stosowanego w badaniach elektrolizy i znanego z wydajnego przekształcania dwutlenku węgla w tlenek węgla. Następnie zmierzyli stężenie tlenku węgla, który został przekształcony pod koniec reakcji i porównali tę liczbę z każdym innym testowanym roztworem, aby sprawdzić, który parametr miał największy wpływ na ilość wytwarzanego tlenku węgla.
Ostatecznie okazało się, że największe znaczenie miał nie rodzaj aminy użytej do początkowego wychwytywania dwutlenku węgla, jak wielu podejrzewało. Zamiast tego, było to stężenie pojedynczych, swobodnie unoszących się cząsteczek dwutlenku węgla, które unikały łączenia się z aminami, ale mimo to były obecne w roztworze. Ten „solo-CO2” determinował stężenie tlenku węgla, który został ostatecznie wytworzony.
„Odkryliśmy, że łatwiej jest przereagować ten „solowy” CO2 w porównaniu do CO2, który został wychwycony przez aminę” – powiedział Leverick. „To mówi przyszłym badaczom, że proces ten może być wykonalny dla strumieni przemysłowych, w których wysokie stężenia dwutlenku węgla mogą być skutecznie wychwytywane i przekształcane w użyteczne chemikalia i paliwa”.
„To nie jest technologia usuwania dwutlenku węgla i należy to podkreślić” – powiedział Gallant. „Jej wartość polega na tym, że pozwala nam na wielokrotny recykling dwutlenku węgla przy jednoczesnym utrzymaniu istniejących procesów przemysłowych, przy mniejszej ilości powiązanych emisji. Ostatecznie moim marzeniem jest, aby systemy elektrochemiczne mogły być wykorzystywane do ułatwiania mineralizacji i trwałego magazynowania CO2 – prawdziwej technologii usuwania. To długoterminowa wizja. A wiele z nauk, które zaczynamy rozumieć, jest pierwszym krokiem w kierunku zaprojektowania tych procesów”.
