Μελέτη προτείνει ενεργειακά αποδοτική διαδρομή για τη δέσμευση και μετατροπή του CO2

Τα ευρήματα, τα οποία βασίζονται σε μια ενιαία ηλεκτροχημική διαδικασία, θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μείωση των εκπομπών από τις βιομηχανίες που είναι πιο δύσκολο να απαλλαγούν από τον άνθρακα, όπως ο χάλυβας και το τσιμέντο.

Στον αγώνα για τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε όλο τον κόσμο, οι επιστήμονες του MIT αναζητούν τεχνολογίες δέσμευσης άνθρακα για την απαλλαγή από τον άνθρακα των πιο επίμονων βιομηχανικών εκπομπών.

Ο χάλυβας, το τσιμέντο και η χημική παραγωγή είναι ιδιαίτερα δύσκολες βιομηχανίες στην απανθρακοποίηση, καθώς ο άνθρακας και τα ορυκτά καύσιμα είναι εγγενή συστατικά στην παραγωγή τους. Οι τεχνολογίες που μπορούν να συλλάβουν τις εκπομπές άνθρακα και να τις μετατρέψουν σε μορφές που ανατροφοδοτούν την παραγωγική διαδικασία θα μπορούσαν να συμβάλουν στη μείωση των συνολικών εκπομπών από αυτούς τους «δύσκολα στη μείωση» τομείς.

Αλλά μέχρι στιγμής, οι 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 και πολύ πιο ενεργειακά αποδοτικό σύστημα που θα μπορούσε δυνητικά να λειτουργεί με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας τόσο για τη δέσμευση όσο και για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα από συγκεντρωμένες, βιομηχανικές πηγές.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε σήμερα στο ACS Catalysis, οι ερευνητές αποκαλύπτουν την κρυφή λειτουργία του τρόπου με τον οποίο το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να δεσμευτεί και να μετατραπεί μέσω μιας μόνο ηλεκτροχημικής διαδικασίας. Η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση ενός ηλεκτροδίου για την προσέλκυση διοξειδίου του άνθρακα που απελευθερώνεται από ένα ροφητικό και για τη μετατροπή του σε μειωμένη, επαναχρησιμοποιήσιμη μορφή.

Άλλοι έχουν αναφέρει παρόμοιες επιδείξεις, αλλά οι μηχανισμοί που οδηγούν την ηλεκτροχημική αντίδραση έχουν παραμείνει ασαφείς. Η ομάδα του MIT πραγματοποίησε εκτεταμένα πειράματα για να προσδιορίσει αυτόν τον οδηγό και διαπίστωσε ότι, στο τέλος, κατέληξε στη μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα. Με άλλα λόγια, όσο πιο καθαρό διοξείδιο του άνθρακα που έρχεται σε επαφή με το ηλεκτρόδιο, τόσο πιο αποτελεσματικά το ηλεκτρόδιο μπορεί να συλλάβει και να μετατρέψει το μόριο.

Η γνώση αυτού του κύριου μοχλού, ή του «ενεργού είδους», μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να συντονίσουν και να βελτιστοποιήσουν παρόμοια ηλεκτροχημικά συστήματα για την αποτελεσματική σύλληψη και μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε μια ολοκληρωμένη διαδικασία.

Τα αποτελέσματα της μελέτης υποδηλώνουν ότι, ενώ αυτά τα ηλεκτροχημικά συστήματα πιθανότατα δεν θα λειτουργούσαν σε πολύ αραιά περιβάλλοντα (για παράδειγμα, για τη σύλληψη και τη μετατροπή των εκπομπών άνθρακα απευθείας από τον αέρα), θα ήταν κατάλληλα για τις εξαιρετικά συγκεντρωμένες εκπομπές που παράγονται από βιομηχανικές διεργασίες. ιδιαίτερα εκείνων που δεν έχουν προφανή εναλλακτική από ανανεώσιμες πηγές.

«Μπορούμε και πρέπει να στραφούμε στις ανανεώσιμες πηγές για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, η βαθιά απαλλαγή των βιομηχανιών όπως η παραγωγή τσιμέντου ή χάλυβα είναι πρόκληση και θα πάρει περισσότερο χρόνο», λέει ο συγγραφέας της μελέτης Betar Gallant, Αναπληρωτής Καθηγητής Ανάπτυξης Σταδιοδρομίας Τάξης του 1922 στο MIT. «Ακόμη και αν απαλλαγούμε από όλους τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας, χρειαζόμαστε κάποιες λύσεις για να αντιμετωπίσουμε τις εκπομπές από άλλες βιομηχανίες βραχυπρόθεσμα, προτού μπορέσουμε να τις απελευθερώσουμε πλήρως. Εκεί βλέπουμε ένα γλυκό σημείο, όπου κάτι τέτοιο θα μπορούσε να χωρέσει».

Οι συν-συγγραφείς της μελέτης στο MIT είναι ο επικεφαλής συγγραφέας και μεταδιδάκτορας Graham Leverick και η μεταπτυχιακή φοιτήτρια Elizabeth Bernhardt, μαζί με τους Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman και Mohamed Kheireddine Aroua του Πανεπιστημίου Sunway στη Μαλαισία.

Σπάζοντας δεσμούς

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 με τη χρήση μεγάλων μετασκευών για τη διοχέτευση εκπομπών σε θαλάμους γεμάτους με ένα διάλυμα «σύλληψης» — ένα μείγμα αμινών ή ενώσεων με βάση την αμμωνία, που συνδέονται χημικά με το διοξείδιο του άνθρακα, παράγοντας μια σταθερή μορφή που μπορεί να διαχωριστεί από τα υπόλοιπα. των καυσαερίων.

Στη συνέχεια εφαρμόζονται υψηλές θερμοκρασίες, συνήθως με τη μορφή ατμού που παράγεται από ορυκτά καύσιμα, για να απελευθερωθεί το δεσμευμένο διοξείδιο του άνθρακα από τον δεσμό αμίνης του. Στην καθαρή του μορφή, το αέριο μπορεί στη συνέχεια να αντληθεί σε δεξαμενές αποθήκευσης ή υπόγεια, να μεταλλοποιηθεί ή να μετατραπεί περαιτέρω 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 αρκετά ακριβή και ενεργοβόρα για λειτουργία», σημειώνει ο Gallant. «Αυτό που θέλουμε είναι τεχνολογίες που είναι πιο αρθρωτές και ευέλικτες και μπορούν να προσαρμοστούν σε πιο διαφορετικές πηγές διοξειδίου του άνθρακα. Τα ηλεκτροχημικά συστήματα μπορούν να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση αυτού».

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 σύστημα, και όχι αποσυνδεδεμένο, λέει, θα μπορούσε να τροφοδοτείται εξ ολοκλήρου με ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές και όχι με ατμό που προέρχεται από ορυκτά καύσιμα.

Η ιδέα τους επικεντρώνεται σε ένα ηλεκτρόδιο που θα χωρούσε σε υπάρχοντες θαλάμους λύσεων 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 ροφητικό διαθέσιμο για να δεσμεύει περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα, αντί να χρησιμοποιεί ατμό για να κάνει το ίδιο.

Ο Gallant είχε προηγουμένως αποδείξει ότι αυτή η ηλεκτροχημική διαδικασία θα μπορούσε να λειτουργήσει για να συλλάβει και να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε στερεή ανθρακική μορφή.

«Δείξαμε ότι αυτή η ηλεκτροχημική διαδικασία ήταν εφικτή σε πολύ πρώιμες ιδέες», λέει. «Από τότε, έχουν γίνει άλλες μελέτες που επικεντρώθηκαν στη χρήση αυτής της διαδικασίας για την προσπάθεια παραγωγής χρήσιμων χημικών και καυσίμων. Αλλά υπήρξαν ασυνεπείς εξηγήσεις για το πώς λειτουργούν αυτές οι αντιδράσεις, κάτω από την κουκούλα».

Μόνο 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 αμίνης που μοιάζουν με τα διαλύματα βιομηχανικής δέσμευσης που χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή διοξειδίου του άνθρακα από τα καυσαέρια. Μεθοδικά άλλαξαν διάφορες ιδιότητες κάθε διαλύματος, όπως το pH, τη συγκέντρωση και τον τύπο της αμίνης, και στη συνέχεια πέρασαν από κάθε διάλυμα ένα ηλεκτρόδιο από ασήμι - ένα μέταλλο που χρησιμοποιείται ευρέως σε μελέτες ηλεκτρόλυσης και είναι γνωστό ότι μετατρέπει αποτελεσματικά το διοξείδιο του άνθρακα σε άνθρακα μονοξείδιο. Στη συνέχεια μέτρησαν τη συγκέντρωση 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 στο πόσο μονοξείδιο του άνθρακα παρήχθη.

Στο τέλος, ανακάλυψαν ότι αυτό που είχε μεγαλύτερη σημασία δεν ήταν ο τύπος της αμίνης που χρησιμοποιήθηκε για να δεσμεύσει αρχικά το διοξείδιο του άνθρακα, όπως πολλοί υποπτεύθηκαν. Αντίθετα, ήταν η συγκέντρωση μεμονωμένων, ελεύθερα επιπλεόντων μορίων διοξειδίου του άνθρακα, τα οποία απέφευγαν τη σύνδεση με αμίνες, αλλά παρόλα αυτά υπήρχαν στο διάλυμα. Αυτό το «solo-CO2» καθόρισε τη συγκέντρωση του μονοξειδίου του άνθρακα που τελικά παρήχθη.

«Διαπιστώσαμε ότι είναι πιο εύκολο να αντιδράσουμε σε αυτό το «μόνο» CO2, σε σύγκριση με το CO2 που έχει δεσμευτεί από την αμίνη», λέει ο Leverick. «Αυτό λέει στους μελλοντικούς ερευνητές ότι αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να είναι εφικτή για βιομηχανικά ρεύματα, όπου υψηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα θα μπορούσαν αποτελεσματικά να δεσμευτούν και να μετατραπούν σε χρήσιμα χημικά και καύσιμα».

«Δεν πρόκειται για τεχνολογία αφαίρεσης και είναι σημαντικό να το δηλώσουμε», τονίζει ο Gallant. «Η αξία που φέρνει είναι ότι μας επιτρέπει να ανακυκλώνουμε το διοξείδιο του άνθρακα μερικές φορές, διατηρώντας παράλληλα τις υπάρχουσες βιομηχανικές διαδικασίες, για λιγότερες σχετικές εκπομπές. Τελικά, το όνειρό μου είναι ότι τα ηλεκτροχημικά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διευκόλυνση της ανοργανοποίησης και τη μόνιμη αποθήκευση CO2 - μια πραγματική τεχνολογία αφαίρεσης. Αυτό είναι ένα μακροπρόθεσμο όραμα. Και πολλές από τις επιστήμες που αρχίζουμε να καταλαβαίνουμε είναι ένα πρώτο βήμα προς το σχεδιασμό αυτών των διαδικασιών».

Αυτή η έρευνα υποστηρίζεται από το Πανεπιστήμιο Sunway στη Μαλαισία.