Инженеры разрабатывают новый способ удаления углекислого газа из воздуха

Новый способ удаления углекислого газа из потока воздуха может стать важным инструментом в борьбе с изменением климата. Новая система может работать на газе практически при любом уровне концентрации, даже до примерно 400 частей на миллион, находящихся в настоящее время в атмосфере.

Новый способ удаления углекислого газа из потока воздуха может стать важным инструментом в борьбе с изменением климата. Новая система может работать на газе практически при любом уровне концентрации, даже до примерно 400 частей на миллион, находящихся в настоящее время в атмосфере.

Большинство методов удаления диоксида углерода из газового потока требуют более высоких концентраций, таких как те, которые обнаруживаются в выбросах дымовых газов от электростанций на основе ископаемого топлива. Исследователи утверждают, что было разработано несколько вариантов, которые могут работать с низкими концентрациями в воздухе, но новый метод значительно менее энергоемок и дорог.

Техника, основанная на пропускании воздуха через стопку заряженных электрохимических пластин, описана в новой статье в журнале Energy and Environmental Science MIT postdoc Саагом Воскяном, который разработал эту работу во время своей докторской диссертации.

Устройство представляет собой большую специализированную батарею, поглощаую углекислый газ из воздуха (или другого потока газа), проходящего через его электроды, по мере его зарядки, а затем выпускает газ по мере его разрядки. При работе устройство будет просто чередовать зарядку и разрядку, при этом свежий воздух или подаваемый газ продувается через систему во время цикла зарядки, а затем чистый концентрированный диоксид углерода выдувается во время разрядки.

Когда батарея заряжается, на поверхности каждого пакета электродов происходит электрохимическая реакция. Они покрыты составом, называемым полиантрахиноном. Он состоит из углеродных нанотрубок. Электроды имеют естественное сродство к углекислому газу и легко реагируют с его молекулами в потоке воздуха или в подаваемом газе, даже когда он присутствует в очень низких концентрациях. Обратная реакция имеет место, когда батарея разряжена. Само устройство может обеспечить часть энергии, необходимой для всей системы - и в процессе выбрасывает поток чистого углекислого газа. Вся система работает при комнатной температуре и нормальном давлении воздуха.

«Наибольшим преимуществом этой технологии перед большинством других технологий улавливания или поглощения углерода является бинарный характер сродства адсорбента к диоксиду углерода», - объясняет Воскян. Другими словами, материал электрода по своей природе «обладает либо высоким сродством, либо отсутствием сродства», в зависимости от состояния зарядки или разрядки батареи. Другие реакции, используемые для улавливания углерода, требуют промежуточных стадий химической обработки или ввода значительной энергии, такой как тепло или перепады давления.

«Это бинарное сродство позволяет захватывать углекислый газ любой концентрации, включая 400 частей на миллион, и позволяет выпускать его в любой поток-носитель, включая 100% CO2», - говорит Воскян. То есть, когда любой газ протекает через пакет этих плоских электрохимических ячеек, на этапе выделения захваченный углекислый газ будет переноситься вместе с ним. Например, если желаемый конечный продукт представляет собой чистый диоксид углерода для использования при газировании напитков, тогда поток чистого газа можно продуть через тарелки. Захваченный газ затем выпускается из пластин и присоединяется к потоку.

На некоторых заводах по розливу безалкогольных напитков ископаемое топливо сжигается для производства углекислого газа, необходимого для того, чтобы напиток стал шипучим. Точно так же некоторые фермеры сжигают природный газ для производства углекислого газа, чтобы кормить свои растения в теплицах. Воскиан говорит, что новая система может устранить эту потребность в ископаемом топливе в этих применениях, и в процессе фактически вывести парниковый газ прямо из воздуха. В качестве альтернативы поток чистого диоксида углерода может быть сжат и закачан под землю для долгосрочной утилизации или даже превращен в топливо посредством ряда химических и электрохимических процессов.

Процесс, который эта система использует для улавливания и выделения углекислого газа, «революционен», говорит он. «Все это в условиях окружающей среды - нет необходимости в подаче тепла, давления или химикатов. Именно эти очень тонкие листы с обеими активными поверхностями можно укладывать в коробку и подключать к источнику электричества».

«В моих лабораториях мы стремились разработать новые технологии для решения ряда экологических проблем, позволяющих избежать необходимости использования источников тепловой энергии, изменений системного давления или добавления химикатов для завершения циклов разделения и выпуска», - говорит Хаттон. «Эта технология улавливания углекислого газа является наглядной демонстрацией силы электрохимических подходов, которые требуют только небольших перепадов напряжения для разделения».

 

На работающей установке - например, на электростанции, где выхлопные газы производятся непрерывно - два комплекта таких блоков электрохимических ячеек могут быть установлены рядом для параллельной работы, причем дымовые газы сначала направляются в один набор для улавливания углерода, затем перенаправляется на второй набор, в то время как первый набор входит в свой цикл разряда. Чередуя взад и вперед, система всегда может захватывать и выпускать газ. В лаборатории команда доказала, что система способна выдерживать не менее 7000 циклов зарядки-разрядки с потерей эффективности на 30 процентов за это время. Исследователи считают, что они могут легко улучшить это до 20 000 - 50 000 циклов.

Сами электроды могут быть изготовлены стандартными методами химической обработки. Несмотря на то, что сегодня это делается в лабораторных условиях, его можно адаптировать так, чтобы в конечном итоге его можно было изготавливать в больших количествах с помощью рулонного процесса производства, похожего на газетный типограф, говорит Воскян. «Мы разработали очень рентабельные методы», - говорит он, оценивая, что это может быть произведено примерно за десятки долларов за квадратный метр электрода.

По сравнению с другими существующими технологиями улавливания углерода, эта система является достаточно энергоэффективной, последовательно расходуя около одного гигаджоуля энергии на тонну захваченного диоксида углерода. По словам Воскиана, в других существующих методах потребление энергии варьируется от 1 до 10 гигаджоулей на тонну в зависимости от концентрации углекислого газа на входе.

По его словам, исследователи создали компанию Verdox для коммерциализации процесса и надеются в ближайшие несколько лет разработать экспериментальную установку. А систему очень легко масштабировать, говорит он: «Если вам нужна большая емкость, вам просто нужно сделать больше электродов».

Текст: Т. Сокот