Vang kooldioxide op en zet het energie-efficiënt om

Onderzoekers hebben ontdekt hoe koolstofdioxide kan worden opgevangen en omgezet via een enkel elektrochemisch proces waarbij een elektrode, zoals die op de afbeelding bedekt met belletjes, wordt gebruikt om koolstofdioxide aan te trekken dat vrijkomt uit een absorberend materiaal en dit om te zetten in koolstofneutraal materiaal. producten. Krediet: John Frieda/MIT MechE

Deze resultaten, die afhankelijk zijn van één enkel elektrochemisch proces, zouden de uitstoot van industrieën die moeilijk koolstofvrij te maken zijn, zoals staal en cement, kunnen helpen verminderen.

Bij hun inspanningen om de mondiale uitstoot van broeikasgassen over de hele wereld te verminderen, hebben wetenschappers in Massachusetts Institute of Technology Ze richten zich op technologieën voor koolstofafvang om de meest uitdagende industriële emissies koolstofvrij te maken.

Het is bijzonder moeilijk om industrieën zoals de staal-, cement- en chemische industrie koolstofvrij te maken vanwege het inherente gebruik van koolstof en fossiele brandstoffen in hun processen. Als technologieën kunnen worden ontwikkeld om de CO2-uitstoot op te vangen en deze opnieuw in het productieproces te gebruiken, zou dit kunnen leiden tot een aanzienlijke vermindering van de uitstoot van deze ‘moeilijk te beperken’ sectoren.

De huidige experimentele technologieën die kooldioxide opvangen en omzetten, doen dit echter als twee afzonderlijke processen, die zelf een enorme hoeveelheid energie vereisen om te kunnen werken. Het MIT-team wil de twee processen combineren in één geïntegreerd, energiezuiniger systeem dat kan draaien op hernieuwbare energie om koolstofdioxide uit geconcentreerde industriële bronnen op te vangen en om te zetten.

Recente bevindingen over het afvangen en omzetten van koolstof

In een studie die op 5 september in het tijdschrift werd gepubliceerd ACS-katalyseOnderzoekers onthullen de verborgen functie van hoe koolstofdioxide wordt opgevangen en omgezet via een enkel elektrochemisch proces. Het proces omvat het gebruik van een elektrode om de koolstofdioxide die vrijkomt door het absorberende materiaal op te vangen en om te zetten in een herbruikbare verdunde vorm.

Anderen hebben soortgelijke demonstraties gemeld, maar de mechanismen die de elektrochemische reactie aansturen zijn onduidelijk gebleven. Het MIT-team voerde uitgebreide experimenten uit om deze aandrijving vast te stellen, en ontdekte uiteindelijk dat deze te wijten was aan de partiële druk van kooldioxide. Met andere woorden: hoe zuiverder het CO2 dat in contact komt met de elektrode, hoe efficiënter de elektrode het molecuul opvangt en omzet.

Ontdek wat deze hoofd- of “actieve” motor is. Classificeren“, zou wetenschappers kunnen helpen vergelijkbare elektrochemische systemen te verfijnen en te optimaliseren om koolstofdioxide efficiënt op te vangen en om te zetten in een geïntegreerd proces.

De onderzoeksresultaten geven aan dat, hoewel deze elektrochemische systemen misschien niet geschikt zijn voor sterk verdunde omgevingen (bijvoorbeeld om koolstofemissies rechtstreeks uit de lucht op te vangen en om te zetten), ze wel geschikt zouden zijn voor sterk geconcentreerde emissies die worden gegenereerd door industriële processen. Vooral degenen die geen duidelijk alternatief hebben voor hernieuwbare energie.

“We kunnen en moeten overstappen op hernieuwbare energiebronnen om elektriciteit te produceren”, zegt studieauteur Petar Galant, universitair hoofddocent loopbaanontwikkeling aan het MIT, klas van 1922. “Het diepgaand koolstofvrij maken van industrieën zoals de cement- en staalproductie is een uitdaging en zal tijd vergen.” Langer: “Zelfs als we al onze energiecentrales kwijtraken, hebben we oplossingen nodig om op de korte termijn de uitstoot van andere industrieën aan te pakken, voordat we deze volledig koolstofvrij kunnen maken. Dit is waar we een goede plek zien, waar zoiets als dit systeem zou kunnen werken.

Co-auteurs van de studie van MIT zijn hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker Graham Leverick en afgestudeerde student Elizabeth Bernhardt, samen met Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman en Mohd Khairuddin Arua van Sunway University Malaysia.

Inzicht in het koolstofafvangproces

Technologieën voor het opvangen van koolstof zijn ontworpen om emissies, of ‘rookgassen’, uit de schoorstenen van energiecentrales en productiefaciliteiten op te vangen. Dit gebeurt voornamelijk met behulp van grote retrofits om de emissies naar kamers te leiden die gevuld zijn met een ‘afvangoplossing’ – een mengsel van aminen, of op ammoniak gebaseerde verbindingen, die zich chemisch binden met koolstofdioxide, waardoor een stabiele vorm ontstaat die van de rest kan worden gescheiden. Van rookgas.

Vervolgens worden hoge temperaturen toegepast, meestal in de vorm van stoom uit fossiele brandstoffen, om het opgevangen koolstofdioxide uit de aminobinding vrij te maken. In pure vorm kan het gas vervolgens in opslagtanks of ondergronds worden gepompt, gemineraliseerd of omgezet in chemicaliën of brandstof.

“Koolstofafvang is een volwassen technologie, zoals de chemie al zo’n 100 jaar bekend is, maar er zijn hele grote faciliteiten voor nodig, en het gebruik ervan is erg duur en energie-intensief,” benadrukt Gallant. “Wat we willen zijn technologieën die flexibeler en flexibeler zijn en kunnen worden aangepast aan meer diverse bronnen van kooldioxide. Elektrochemische systemen kunnen dit helpen aanpakken.”

Haar groep bij MIT ontwikkelt een elektrochemisch systeem dat opgevangen koolstofdioxide terugwint en er een gereduceerd, bruikbaar product van maakt. Zo’n geïntegreerd, in plaats van afzonderlijk, systeem zou volledig kunnen worden aangedreven door hernieuwbare elektriciteit in plaats van stoom uit fossiele brandstoffen, zegt ze.

Hun concept draait om een ​​elektrode die in bestaande kamers kan worden geïnstalleerd voor oplossingen voor koolstofafvang. Wanneer er spanning op de elektrode wordt gezet, stromen elektronen naar de reactieve vorm van koolstofdioxide en zetten deze om in een product met behulp van protonen die uit het water worden aangevoerd. Hierdoor is het absorbens beschikbaar om meer koolstofdioxide te binden, in plaats van stoom te gebruiken om hetzelfde te doen.

Gallant heeft eerder aangetoond dat dit elektrochemische proces koolstofdioxide kan opvangen en in een gas kan veranderen Vorm van vast carbonaat.

“We hebben laten zien dat dit elektrochemische proces al in zeer vroege concepten mogelijk was”, zegt ze. “Sindsdien zijn er andere onderzoeken geweest die zich richtten op het gebruik van dit proces om nuttige chemicaliën en brandstoffen te produceren. Maar er zijn inconsistente verklaringen voor hoe deze reacties werken, onder de motorkap.”

Rol van Solo CO2

In de nieuwe studie nam het MIT-team een ​​vergrootglas onder de motorkap om de specifieke reacties te ontdekken die het elektrochemische proces aandrijven. In het laboratorium produceerden ze aminooplossingen die lijken op industriële afvangoplossingen die worden gebruikt om kooldioxide uit rookgas te halen. Ze varieerden systematisch de verschillende eigenschappen van elke oplossing, zoals pH, concentratie en type amine, en lieten vervolgens elke oplossing door een elektrode van zilver gaan, een metaal dat veel wordt gebruikt in elektrolysestudies en bekend staat om zijn vermogen om koolstofdioxide efficiënt om te zetten in koolstof. . Monoxide. Vervolgens maten ze de concentratie koolmonoxide die aan het einde van de reactie was omgezet, en vergeleken dit getal met elke andere oplossing die ze testten, om te zien welke parameter het grootste effect had op de geproduceerde hoeveelheid koolmonoxide.

Uiteindelijk ontdekten ze dat het belangrijkste niet het type amine was dat werd gebruikt om de koolstofdioxide in eerste instantie op te vangen, zoals velen hadden verwacht. In plaats daarvan was het de concentratie van enkele, vrije CO2-moleculen die binding aan de aminen vermeden, maar toch in oplossing aanwezig waren. “Single carbon dioxide” bepaalt de concentratie koolmonoxide die uiteindelijk wordt geproduceerd.

“We ontdekten dat het gemakkelijker was om te reageren met enkelvoudig kooldioxide dan met kooldioxide dat door het amine werd opgevangen”, zegt Leverick. “Dit vertelt toekomstige onderzoekers dat dit proces haalbaar zou kunnen zijn voor industriële stromen, omdat hoge concentraties kooldioxide efficiënt kunnen worden opgevangen en omgezet in nuttige chemicaliën en brandstoffen.”

“Dit is geen verwijderingstechniek, en het is belangrijk om dat te vermelden”, benadrukt Gallant. “De waarde die het met zich meebrengt, is dat het ons in staat stelt CO2 meerdere keren te recyclen terwijl we de bestaande industriële processen behouden en de bijbehorende uitstoot verminderen. Uiteindelijk is het mijn droom dat elektrochemische systemen kunnen worden gebruikt om de mineralisatie en permanente opslag van CO2 te vergemakkelijken, een echte verwijderingstechnologie.” Dit is een langetermijnvisie, en veel van de wetenschap die we beginnen te begrijpen is een eerste stap in de richting van het ontwerpen van deze processen.

Referentie: “Detectie van actieve soorten in amine-gemedieerde kooldioxide₂ “Reductie van CO2 in landbouw” door Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa en Petar M. Gallant*, 5 september 2023, ACS-katalyse.
doi: 10.1021/acscatal.3c02500

Dit onderzoek wordt ondersteund door Sunway University Malaysia.