Αιχμαλωτίστε το διοξείδιο του άνθρακα και μετατρέψτε το ενεργειακά αποτελεσματικά

Αυτά τα αποτελέσματα, τα οποία βασίζονται σε μία μόνο ηλεκτροχημική διαδικασία, θα μπορούσαν να συμβάλουν στη μείωση των εκπομπών από βιομηχανίες που είναι δύσκολο να απανθρακοποιηθούν, όπως ο χάλυβας και το τσιμέντο.

Σε προσπάθειες μείωσης των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε όλο τον κόσμο, οι επιστήμονες σε Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης Επικεντρώνονται σε τεχνολογίες δέσμευσης άνθρακα για την απαλλαγή από τον άνθρακα από τις πιο δύσκολες βιομηχανικές εκπομπές.

Είναι ιδιαίτερα δύσκολο να απανθρακοποιηθούν βιομηχανίες όπως ο χάλυβας, το τσιμέντο και η χημική βιομηχανία λόγω της εγγενούς χρήσης άνθρακα και ορυκτών καυσίμων στις διεργασίες τους. Εάν μπορέσουν να αναπτυχθούν τεχνολογίες για τη δέσμευση των εκπομπών άνθρακα και την επαναχρησιμοποίησή τους στη διαδικασία παραγωγής, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντική μείωση των εκπομπών από αυτούς τους «δύσκολα μετριασμούς» τομείς.

Ωστόσο, οι τρέχουσες πειραματικές τεχνολογίες που συλλαμβάνουν και μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα το κάνουν ως δύο ξεχωριστές διαδικασίες, οι οποίες απαιτούν από μόνες τους μια τεράστια ποσότητα ενέργειας για να λειτουργήσουν. Η ομάδα του MIT επιδιώκει να συνδυάσει τις δύο διαδικασίες σε ένα ολοκληρωμένο, πιο ενεργειακά αποδοτικό σύστημα που μπορεί να λειτουργεί με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για τη δέσμευση και τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα από συμπυκνωμένες βιομηχανικές πηγές.

Πρόσφατα ευρήματα σχετικά με τη δέσμευση και τη μετατροπή άνθρακα

Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 5 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Διέγερση ACSΟι ερευνητές αποκαλύπτουν την κρυφή λειτουργία του τρόπου με τον οποίο το διοξείδιο του άνθρακα δεσμεύεται και μετατρέπεται μέσω μιας μόνο ηλεκτροχημικής διαδικασίας. Η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση ηλεκτροδίου για τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα που απελευθερώνεται από το απορροφητικό υλικό, μετατρέποντάς το σε επαναχρησιμοποιήσιμη αραιωμένη μορφή.

Άλλοι έχουν αναφέρει παρόμοιες επιδείξεις, αλλά οι μηχανισμοί που οδηγούν την ηλεκτροχημική αντίδραση έχουν παραμείνει ασαφείς. Η ομάδα του MIT διεξήγαγε εκτεταμένα πειράματα για να προσδιορίσει αυτή την κίνηση, διαπιστώνοντας τελικά ότι οφειλόταν στη μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα. Με άλλα λόγια, όσο πιο καθαρό είναι το CO2 που έρχεται σε επαφή με το ηλεκτρόδιο, τόσο πιο αποτελεσματικά το ηλεκτρόδιο συλλαμβάνει και μετατρέπει το μόριο.

Μάθετε ποιος είναι αυτός ο κύριος ή «ενεργός» κινητήρας. Ταξινόμηση», θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να τελειοποιήσουν και να βελτιστοποιήσουν παρόμοια ηλεκτροχημικά συστήματα για την αποτελεσματική σύλληψη και μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε μια ολοκληρωμένη διαδικασία.

Τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν ότι παρόλο που αυτά τα ηλεκτροχημικά συστήματα μπορεί να μην είναι κατάλληλα για περιβάλλοντα με υψηλή αραίωση (για παράδειγμα, για τη σύλληψη και τη μετατροπή εκπομπών άνθρακα απευθείας από τον αέρα), θα ήταν κατάλληλα για εκπομπές υψηλής συγκέντρωσης που παράγονται από βιομηχανικές διεργασίες. Ειδικά εκείνα που δεν έχουν σαφή εναλλακτική λύση στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

«Μπορούμε και πρέπει να στραφούμε σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας», λέει ο συγγραφέας της μελέτης Petar Galant, αναπληρωτής καθηγητής εξέλιξης σταδιοδρομίας στο MIT, τάξη του 1922. «Βιομηχανίες βαθιάς απανθρακοποίησης όπως η παραγωγή τσιμέντου ή χάλυβα είναι προκλητικές και θα χρειαστούν χρόνο». «Ακόμα κι αν απαλλαγούμε από όλους τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής μας, χρειαζόμαστε κάποιες λύσεις για την αντιμετώπιση των εκπομπών από άλλες βιομηχανίες βραχυπρόθεσμα, προτού μπορέσουμε να τις απελευθερώσουμε πλήρως. Εδώ βλέπουμε ένα γλυκό σημείο, όπου κάτι τέτοιο θα μπορούσε να λειτουργήσει.

Συν-συγγραφείς της μελέτης από το MIT είναι ο επικεφαλής συγγραφέας και μεταδιδακτορικός ερευνητής Graham Leverick και η μεταπτυχιακή φοιτήτρια Elizabeth Bernhardt, μαζί με τους Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman και Mohd Khairuddin Arua από το Πανεπιστήμιο Sunway της Μαλαισίας.

Κατανόηση της διαδικασίας δέσμευσης άνθρακα

Οι τεχνολογίες δέσμευσης άνθρακα έχουν σχεδιαστεί για να συλλαμβάνουν τις εκπομπές ή τα «καυσαέρια» από τις καπνοδόχους των σταθμών παραγωγής ενέργειας και των εγκαταστάσεων παραγωγής. Αυτό γίνεται κυρίως χρησιμοποιώντας μεγάλες μετασκευές για να κατευθύνονται οι εκπομπές σε θαλάμους γεμάτους με ένα διάλυμα «σύλληψης» – ένα μείγμα αμινών ή ενώσεων με βάση την αμμωνία, που συνδέονται χημικά με το διοξείδιο του άνθρακα, δημιουργώντας μια σταθερή μορφή που μπορεί να διαχωριστεί από τα υπόλοιπα. Από καυσαέρια.

Στη συνέχεια εφαρμόζονται υψηλές θερμοκρασίες, συνήθως με τη μορφή ατμού ορυκτών καυσίμων, για να απελευθερωθεί το δεσμευμένο διοξείδιο του άνθρακα από τον αμινοδεσμό. Στην καθαρή του μορφή, το αέριο μπορεί στη συνέχεια να αντληθεί σε δεξαμενές αποθήκευσης ή υπόγεια, να μεταλλοποιηθεί ή να μετατραπεί σε χημικά ή καύσιμα.

«Η δέσμευση άνθρακα είναι μια ώριμη τεχνολογία, καθώς η χημεία είναι γνωστή εδώ και περίπου 100 χρόνια, αλλά απαιτεί πραγματικά μεγάλες εγκαταστάσεις και είναι πολύ ακριβό και ενεργοβόρο για λειτουργία», επισημαίνει ο Gallant. “Αυτό που θέλουμε είναι τεχνολογίες που είναι πιο ευέλικτες και ευέλικτες και μπορούν να προσαρμοστούν σε πιο διαφορετικές πηγές διοξειδίου του άνθρακα. Τα ηλεκτροχημικά συστήματα μπορούν να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος.”

Η ομάδα της στο MIT αναπτύσσει ένα ηλεκτροχημικό σύστημα που ανακτά το δεσμευμένο διοξείδιο του άνθρακα και το μετατρέπει σε μειωμένο, χρησιμοποιήσιμο προϊόν. Ένα τέτοιο ολοκληρωμένο, και όχι ξεχωριστό, σύστημα θα μπορούσε να τροφοδοτείται εξ ολοκλήρου από ανανεώσιμες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας και όχι από ατμό που προέρχεται από ορυκτά καύσιμα, λέει.

Η ιδέα τους επικεντρώνεται γύρω από ένα ηλεκτρόδιο που μπορεί να εγκατασταθεί σε υπάρχοντες θαλάμους για λύσεις δέσμευσης άνθρακα. Όταν εφαρμόζεται τάση στο ηλεκτρόδιο, τα ηλεκτρόνια ρέουν στην αντιδραστική μορφή του διοξειδίου του άνθρακα και το μετατρέπουν σε προϊόν χρησιμοποιώντας πρωτόνια που παρέχονται από το νερό. Αυτό καθιστά το απορροφητικό διαθέσιμο για να δεσμεύει περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα, αντί να χρησιμοποιεί ατμό για να κάνει το ίδιο πράγμα.

Ο Gallant έχει αποδείξει στο παρελθόν ότι αυτή η ηλεκτροχημική διαδικασία μπορεί να δεσμεύσει το διοξείδιο του άνθρακα και να το μετατρέψει σε αέριο Μορφή στερεού ανθρακικού.

«Δείξαμε ότι αυτή η ηλεκτροχημική διαδικασία ήταν δυνατή σε πολύ πρώιμες έννοιες», λέει. “Από τότε, έχουν υπάρξει άλλες μελέτες που επικεντρώνονται στη χρήση αυτής της διαδικασίας για την παραγωγή χρήσιμων χημικών ουσιών και καυσίμων. Αλλά υπήρξαν ασυνεπείς εξηγήσεις για το πώς λειτουργούν αυτές οι αντιδράσεις, κάτω από την κουκούλα.”

Ο ρόλος του Solo CO2

Στη νέα μελέτη, η ομάδα του MIT πήρε έναν μεγεθυντικό φακό κάτω από την κουκούλα για να πει τις συγκεκριμένες αντιδράσεις που οδηγούν την ηλεκτροχημική διαδικασία. Στο εργαστήριο, παρήγαγαν διαλύματα αμινοξέων που μοιάζουν με διαλύματα βιομηχανικής δέσμευσης που χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή διοξειδίου του άνθρακα από τα καυσαέρια. Μετέβαλλαν συστηματικά διαφορετικές ιδιότητες κάθε διαλύματος, όπως pH, συγκέντρωση και τύπο αμίνης, και μετά πέρασαν κάθε διάλυμα μέσω ενός ηλεκτροδίου από ασήμι, ένα μέταλλο που χρησιμοποιείται ευρέως σε μελέτες ηλεκτρόλυσης και είναι γνωστό για την ικανότητά του να μετατρέπει αποτελεσματικά το διοξείδιο του άνθρακα σε άνθρακα. . Μονοξείδιο. Στη συνέχεια μέτρησαν τη συγκέντρωση του μονοξειδίου του άνθρακα που μετατράπηκε στο τέλος της αντίδρασης και συνέκριναν αυτόν τον αριθμό με κάθε άλλο διάλυμα που δοκίμασαν, για να δουν ποια παράμετρος είχε τη μεγαλύτερη επίδραση στην ποσότητα του παραγόμενου μονοξειδίου του άνθρακα.

Στο τέλος, διαπίστωσαν ότι αυτό που είχε μεγαλύτερη σημασία δεν ήταν ο τύπος της αμίνης που χρησιμοποιήθηκε για να παγιδευτεί αρχικά το διοξείδιο του άνθρακα, όπως περίμεναν πολλοί. Αντίθετα, ήταν η συγκέντρωση μεμονωμένων, ελεύθερων μορίων CO2 που απέφυγαν τη σύνδεση με τις αμίνες, αλλά παρόλα αυτά υπήρχαν στο διάλυμα. Το “ενιαίο διοξείδιο του άνθρακα” καθορίζει τη συγκέντρωση του μονοξειδίου του άνθρακα που τελικά παράγεται.

«Βρήκαμε ότι ήταν ευκολότερο να αντιδράσουμε με ένα μόνο διοξείδιο του άνθρακα παρά με το διοξείδιο του άνθρακα που δεσμεύτηκε από την αμίνη», λέει ο Leverick. «Αυτό λέει στους μελλοντικούς ερευνητές ότι αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να είναι εφικτή για βιομηχανικά ρεύματα, καθώς οι υψηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα μπορούν να συλληφθούν αποτελεσματικά και να μετατραπούν σε χρήσιμα χημικά και καύσιμα».

«Δεν πρόκειται για τεχνική αφαίρεσης και είναι σημαντικό να το αναφέρουμε», τονίζει ο Gallant. “Η αξία που φέρνει είναι ότι μας επιτρέπει να ανακυκλώνουμε πολλές φορές το CO2 διατηρώντας τις υπάρχουσες βιομηχανικές διεργασίες, για να μειώσω τις σχετικές εκπομπές. Τελικά, το όνειρό μου είναι ότι τα ηλεκτροχημικά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διευκολύνουν την ανοργανοποίηση και τη μόνιμη αποθήκευση του CO2, μια πραγματική Αυτό είναι ένα μακροπρόθεσμο όραμα και μεγάλο μέρος της επιστήμης που αρχίζουμε να κατανοούμε είναι ένα πρώτο βήμα προς το σχεδιασμό αυτών των διαδικασιών.

Αναφορά: “Ανίχνευση ενεργών ειδών σε διοξείδιο του άνθρακα που προκαλείται από αμίνη₂ “Reduction to CO2 in Ag” των Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa και Petar M. Gallant*, 5 Σεπτεμβρίου 2023, Διέγερση ACS.
doi: 10.1021/acscatal.3c02500

Αυτή η έρευνα υποστηρίζεται από το Πανεπιστήμιο Sunway της Μαλαισίας.