Новый способ удаления углекислого газа из потока воздуха может стать важным инструментом в борьбе с изменением климата. Новая система может работать с газом практически при любом уровне концентрации, вплоть до примерно 400 частей на миллион, присутствующих в настоящее время в атмосфере.
Большинство методов удаления двуокиси углерода из потока газа требуют более высоких концентраций, например, обнаруженных в дымовых выбросах электростанций, работающих на ископаемом топливе. Было разработано несколько вариантов, которые могут работать с низкими концентрациями в воздухе, но, по словам исследователей, новый метод значительно менее энергоемкий и дорогой.
Техника, основанная на пропускании воздуха через стопку заряженных электрохимических пластин, описана в новой статье в журнале Energy and Environmental Science постдока Массачусетского технологического института Саага Воскяна, который разработал эту работу во время работы над докторской диссертацией, и Т. Алан Хаттон, профессор химического машиностроения имени Ральфа Ландау.
Устройство, по сути, представляет собой большую специализированную батарею, которая поглощает углекислый газ из воздуха (или другого газового потока), проходящего через его электроды, при зарядке, а затем выпускает газ при разрядке. Во время работы устройство будет просто чередовать зарядку и разрядку, при этом свежий воздух или сырьевой газ продуваются через систему во время цикла зарядки, а затем чистый концентрированный углекислый газ выдувается во время разрядки.
По мере зарядки аккумулятора на поверхности каждого из электродов происходит электрохимическая реакция. Они покрыты соединением под названием полиантрахинон, состоящим из углеродных нанотрубок. Электроды имеют естественное сродство к углекислому газу и легко реагируют с его молекулами в воздушном потоке или сырьевом газе, даже если он присутствует в очень низких концентрациях. Обратная реакция происходит, когда батарея разряжается - во время которой устройство может обеспечить часть мощности, необходимой для всей системы - и при этом выбрасывает поток чистого углекислого газа. Вся система работает при комнатной температуре и нормальном давлении воздуха.
«Самое большое преимущество этой технологии по сравнению с большинством других технологий улавливания или поглощения углерода заключается в бинарном характере сродства адсорбента к двуокиси углерода», - объясняет Воскиан. Другими словами, материал электрода по своей природе «имеет либо высокое сродство, либо вообще не имеет сродства», в зависимости от состояния зарядки или разрядки аккумулятора. Другие реакции, используемые для улавливания углерода, требуют промежуточных стадий химической обработки или значительных затрат энергии, таких как тепло или перепады давления.
«Это бинарное сродство позволяет улавливать углекислый газ любой концентрации, включая 400 частей на миллион, и позволяет высвобождать его в любой поток носителя, включая 100-процентный CO2», - говорит Воскян. То есть, когда любой газ проходит через пакет этих плоских электрохимических ячеек, на этапе выпуска захваченный углекислый газ будет уноситься вместе с ним. Например, если желаемым конечным продуктом является чистый диоксид углерода для газирования напитков, то поток чистого газа можно продувать через пластины. Затем захваченный газ сбрасывается с пластин и поступает в поток.
На некоторых заводах по розливу безалкогольных напитков ископаемое топливо сжигается для получения углекислого газа, необходимого для шипения напитков. Точно так же некоторые фермеры сжигают природный газ для производства углекислого газа, которым питаются растения в теплицах. По словам Воскиана, новая система может устранить потребность в ископаемом топливе в этих приложениях и в процессе фактически убрать парниковые газы прямо из воздуха. В качестве альтернативы поток чистого диоксида углерода может быть сжат и введен под землю для долгосрочного захоронения или даже превращен в топливо с помощью ряда химических и электрохимических процессов.
Процесс, который эта система использует для улавливания и выделения углекислого газа, «является революционным», говорит он. «Все это происходит в условиях окружающей среды - нет необходимости в тепловом, давленийном или химическом воздействии. Просто эти очень тонкие листы с обеими активными поверхностями можно сложить в коробку и подключить к источнику электричества».
"В моих лабораториях мы стремились разработать новые технологии для решения ряда экологических проблем, которые позволяют избежать необходимости в источниках тепловой энергии, изменениях давления в системе или добавлении химикатов для завершения циклов разделения и выпуска. ", - говорит Хаттон.«Эта технология улавливания углекислого газа является наглядной демонстрацией силы электрохимических подходов, которые требуют лишь небольших колебаний напряжения для разделения».
На действующей установке - например, на электростанции, где выхлопные газы производятся непрерывно - два набора таких блоков электрохимических ячеек могут быть установлены рядом для параллельной работы, при этом дымовые газы направляется сначала на одну установку для улавливания углерода, затем перенаправляется на вторую установку, в то время как первая установка переходит в цикл сброса. Чередуя вперед и назад, система всегда могла одновременно улавливать и выпускать газ. В лаборатории команда доказала, что система может выдержать не менее 7000 циклов зарядки-разрядки с 30-процентной потерей эффективности за это время. По оценкам исследователей, они могут легко увеличить это число до 20 000-50 000 циклов.
Сами электроды могут быть изготовлены стандартными методами химической обработки. Хотя сегодня это делается в лабораторных условиях, его можно адаптировать, чтобы в конечном итоге их можно было производить в больших количествах с помощью производственного процесса с рулона на рулон, аналогичного газетному печатному станку, говорит Воскян. «Мы разработали очень экономичные технологии», - говорит он, полагая, что их можно производить примерно за десятки долларов за квадратный метр электрода.
По сравнению с другими существующими технологиями улавливания углерода, эта система довольно энергоэффективна, постоянно потребляя около одного гигаджоуля энергии на тонну улавливаемого углекислого газа. Другие существующие методы потребляют от 1 до 10 гигаджоулей на тонну в зависимости от концентрации углекислого газа на входе, говорит Воскиан.
Исследователи создали компанию под названием Verdox для коммерциализации процесса и надеются разработать экспериментальную установку в течение следующих нескольких лет, говорит он. И систему очень легко масштабировать, говорит он: «Если вам нужна большая мощность, вам просто нужно сделать больше электродов."