Вдохновленная биологическим материалом мембрана, предназначенная для почти полного удаления углекислого газа из дыма угольных электростанций, была разработана учеными Национальной лаборатории Сандия и Университета Нью-Мексико.
Запатентованная работа, о которой недавно сообщалось в Nature Communications, заинтересовала энергетические компании, которые хотели бы значительно и недорого сократить выбросы двуокиси углерода, одного из самых распространенных парниковых газов, и изучить другие возможные варианты использования изобретения..
Мемзайм соответствует стандартам Министерства энергетики, улавливая 90 процентов производимого электростанцией углекислого газа при относительно низкой стоимости в 40 долларов за тонну.
Исследователи называют мембрану «мемзимом», потому что она действует как фильтр, но почти насыщена ферментом карбоангидразой, который вырабатывался живыми клетками в течение миллионов лет, чтобы эффективно и быстро избавляться от углекислого газа.
«На сегодняшний день удаление углекислого газа из дыма было непомерно дорогим с использованием толстых, твердых полимерных мембран, доступных в настоящее время», - говорит Джефф Бринкер, научный сотрудник Sandia, профессор регентов Университета Нью-Мексико и ведущий автор статьи..
Наш недорогой метод следует примеру природы в использовании мембраны на водной основе толщиной всего 18 нанометров, которая включает природные ферменты для улавливания 90 процентов выделяемого углекислого газа. (Нанометр составляет около 1/700 диаметра человеческий волос.) Это почти на 70 процентов лучше, чем текущие коммерческие методы, и это делается за небольшую часть стоимости».
Угольные электростанции являются одним из крупнейших производителей энергии в Соединенных Штатах, но некоторые критикуют их за то, что они выделяют в атмосферу больше углекислого газа, чем любая другая форма производства электроэнергии. Тем не менее, сжигание угля в Китае, Индии и других странах означает, что воздержание США в одиночку вряд ли решит мировые климатические проблемы. Но, говорит Бринкер, «возможно, технология поможет».
Формирование устройства начинается с процесса сушки, называемого самосборкой, вызванной испарением, впервые разработанной Бринкером в Sandia 20 лет назад и являющейся отдельной областью исследований.
Процедура создает плотно упакованный массив нанопор кремнезема, предназначенный для размещения фермента карбоангидразы и поддержания его стабильности. Это делается в несколько шагов. Во-первых, массив, длина которого может составлять 100 нанометров, обрабатывается с помощью метода, называемого осаждением атомного слоя, чтобы сделать поверхность нанопор водоотталкивающей или гидрофобной. Затем следует обработка кислородной плазмой, которая покрывает водоотталкивающую поверхность, чтобы сделать нанопоры водолюбивыми или гидрофильными, но только на глубину 18 нанометров. Раствор фермента и воды самопроизвольно заполняются и стабилизируются в водолюбивой части нанопор. Это создает мембраны из воды толщиной 18 нанометров с концентрацией карбоангидразы в 10 раз выше, чем водные растворы, сделанные на сегодняшний день.
Раствор, находящийся дома в водолюбивом рукаве, стабилен. Но из-за способности фермента быстро и избирательно растворять углекислый газ каталитическая мембрана обладает способностью улавливать подавляющее большинство молекул углекислого газа, которые сталкиваются с ней из поднимающегося облака угольного дыма. Затем зацепившиеся молекулы быстро проходят через мембраны, движимые исключительно естественным градиентом давления, вызванным большим количеством молекул углекислого газа на одной стороне мембраны и их относительным отсутствием на другой. Химический процесс превращает газ на короткое время в угольную кислоту, а затем в бикарбонат, прежде чем он сразу же выйдет в виде углекислого газа. Газ можно собирать с чистотой 99 процентов - настолько чистым, что его могут использовать нефтяные компании для добычи полезных ископаемых. Другие молекулы проходят по поверхности мембраны невозмущенно. Фермент можно использовать повторно, а поскольку вода служит средой, а не действующим лицом, его не нужно заменять.
Нанопоры высыхают в течение длительного периода времени из-за испарения. Это будет проверяться водяным паром, поднимающимся из нижних водяных бань, уже установленных на электростанциях для снижения выбросов серы. Кроме того, ферменты, поврежденные в результате использования с течением времени, можно легко заменить.
Говорит Бринкер: «Очень высокая концентрация карбоангидразы, наряду с тонкостью водного канала, приводит к очень высокому потоку углекислого газа через мембрану. Чем больше концентрация карбоангидразы, тем больше поток. чем тоньше мембрана, тем больше поток."
Расположение мембраны в дымоходе электростанции похоже на каталитический нейтрализатор в автомобиле, предполагает Бринкер. Мембраны располагались бы на внутренней поверхности трубки, устроенной в виде сот. Дымовой газ будет проходить через трубу с встроенной мембраной, а газовый поток, не содержащий диоксида углерода, будет выходить за пределы труб. Изменение длины и диаметра трубки оптимизирует процесс извлечения углекислого газа.
«Энергетические и нефтегазовые компании проявили интерес к оптимизации газовых фильтров для конкретных условий», - говорит Сьюзен Ремпе, исследователь и соавтор Sandia, которая предложила и развила идею добавления карбоангидразы в воду. раствор для повышения скорости поглощения и выделения углекислого газа из мембраны. «Фермент может катализировать растворение миллиона молекул углекислого газа в секунду, значительно повышая скорость процесса. При оптимизации в промышленности мемзим может сделать производство электроэнергии дешевым и экологичным», - говорит она.
Процесс разделения может увеличить количество топлива, получаемого за счет повышения нефтеотдачи с использованием двуокиси углерода, закачиваемой в существующие резервуары.
Несколько другой фермент, используемый в том же процессе, может преобразовывать метан - еще более мощный парниковый газ - в более растворимый метанол для удаления, говорит она.
Предварительная очистка промышленными скрубберами означает, что поднимающийся вверх дым будет достаточно чистым, чтобы существенно не снизить эффективность мембраны, говорит профессор Университета Нью-Мексико и соавтор статьи Ин-Бинг Цзян, который придумал и развил идею использования водянистые мембраны, основанные на процессах человеческого организма по выделению углекислого газа. Мембраны эффективно работали в лабораторных условиях в течение нескольких месяцев.
Процедура также может изолировать углекислый газ на космическом корабле, отмечают авторы, потому что мембраны работают при температуре окружающей среды и управляются исключительно химическими градиентами.