Новая технология, разработанная инженерами Университета Райса, может снизить затраты на улавливание углекислого газа из всех видов выбросов, что потенциально изменит правила игры как для отраслей, стремящихся адаптироваться к меняющимся стандартам выбросов парниковых газов, так и для формирующейся экономики с переходом к энергетике.
Согласно их исследованию, опубликованному в Nature, система из лаборатории инженера-химика и биомолекулярного инженера Хаотиана Вана может напрямую удалять углекислый газ из различных источников, начиная от дымовых газов и заканчивая атмосферой, используя электричество для инициирования электрохимической реакции на основе воды и кислорода. Этот технологический прорыв может превратить прямое улавливание воздуха из периферийной промышленности — в настоящее время во всем мире функционирует всего 18 установок — в многообещающее направление для смягчения последствий изменения климата.
Большинство систем улавливания углерода включают в себя двухэтапный процесс: сначала используются жидкости с высоким рН для отделения углекислого газа, который является кислым, от потоков смешанных газов, таких как дымовые газы. Затем диоксид углерода регенерируется из раствора путем нагревания или впрыскивания жидкости с низким рН.
«Как только углекислый газ попадает в эти растворители, вы должны его регенерировать», — сказал Ван.
«Традиционные методы очистки от аминов требуют температуры 100-200°C (212-392°F). Для процессов на основе карбоната кальция необходима температура до 900 °C (1652 °F).
«В нашем процессе буквально не производится и не потребляется никаких химических веществ. Нам также не нужно нагревать или нагнетать давление на наше устройство, нам просто нужно подключить его к электрической розетке, и оно будет работать «.
Источник: Университет Райса
Еще одним недостатком современных технологий улавливания углерода является их зависимость от крупномасштабной централизованной инфраструктуры. В отличие от этого, система, разработанная в лаборатории Wang, представляет собой масштабируемую модульную концепцию, которая может быть адаптирована к различным сценариям.
«Технологию можно масштабировать до промышленных установок — электростанций, химических заводов, — но самое замечательное в ней то, что она позволяет использовать ее и в небольших масштабах: я могу использовать ее даже в своем офисе», — сказал Ван. «Мы могли бы, например, извлекать углекислый газ из атмосферы и непрерывно закачивать этот концентрированный газ в теплицу, чтобы стимулировать рост растений. Мы слышали от компаний, занимающихся космическими технологиями, что они заинтересованы в использовании устройства на космических станциях для удаления углекислого газа, который выдыхают астронавты».
Реактор, разработанный Вангом и его командой, может непрерывно удалять углекислый газ из имитируемого дымового газа с эффективностью выше 98% при относительно низких затратах электроэнергии.
«Электричество, используемое для питания 50-ваттной лампочки в течение часа, даст от 10 до 25 литров углекислого газа высокой чистоты», — сказал Пэн Чжу, аспирант кафедры химической и биомолекулярной инженерии и ведущий автор исследования.
Ван отметил, что этот процесс «не имеет углеродного следа или очень ограничен», если он работает на электричестве из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер.
«Это отличная новость, учитывая, что возобновляемая электроэнергия становится все более и более рентабельной», — сказал Ван.
Пэн Чжу (слева) и Хаотянь Ван рядом со своим прототипом устройства для улавливания углерода. Автор: Джефф Фитлоу/Университет Райса
Реактор состоит из катода, предназначенного для восстановления кислорода, анода, осуществляющего реакцию выделения кислорода, и компактного, но пористого слоя твердого электролита, который обеспечивает эффективную ионную проводимость. Более ранняя версия реактора использовалась для восстановления диоксида углерода до чистого жидкого топлива и восстановления кислорода до чистых растворов перекиси водорода.
«Раньше наша группа фокусировалась в основном на утилизации углекислого газа», — сказал Чжу. «Мы работали над производством чистых жидких продуктов, таких как уксусная кислота, муравьиная кислота и т.д.».
По словам Вана, Чжу наблюдал в процессе исследования, что пузырьки газа вытекали из средней камеры реактора вместе с жидкостями.
«Вначале мы не обращали особого внимания на это явление», — сказал Ван. «Однако Пэн заметил, что если мы прикладывали больше тока, то появлялось больше пузырьков. Это прямая корреляция, которая означает, что происходит что-то неслучайное».
Исследователи поняли, что щелочная поверхность раздела, образующаяся во время реакций восстановления на катодной стороне реактора, взаимодействует с молекулами углекислого газа с образованием карбонат-ионов. Ионы карбоната мигрируют в слой твердого электролита реактора, где они соединяются с протонами, образующимися в результате окисления воды на стороне анода, образуя непрерывный поток углекислого газа высокой чистоты.
«Мы случайно обнаружили это явление во время наших предыдущих исследований», — сказал Ван. «Затем мы настроили и оптимизировали технологию для этого нового проекта и нового приложения. Мы потратили годы непрерывной работы над этим типом электрохимического устройства.
«Научное открытие часто требует такого терпения, постоянного наблюдения и любопытства, чтобы узнать, что происходит на самом деле, выбора не пренебрегать теми явлениями, которые не обязательно вписываются в рамки эксперимента».