На фоне глобальных усилий по ограничению выбросов парниковых газов ученые Массачусетского технологического института сосредоточивают внимание на технологии улавливания углерода, позволяющей декарбонизировать наиболее сложные промышленные выбросы. Эти результаты, основанные на одном электрохимическом процессе, могут помочь сократить выбросы в отраслях, которые труднее всего декарбонизировать, таких как сталелитейная и цементная промышленность.
Исследователи показали, как улавливать и преобразовывать углекислый газ с помощью одного электрохимического процесса. В этом процессе электроды (например, тот, что покрыт пузырьками на картинке) используются для поглощения углекислого газа, выделяющегося из адсорбента, и преобразования его в углеродно-нейтральный продукт. Фото предоставлено: JohnFreidah/MITMechE
Такие отрасли, как сталелитейная, цементная и химическая промышленность, особенно трудно декарбонизировать из-за того, что в их производственных процессах используется углерод и ископаемое топливо. Если бы можно было разработать технологию улавливания выбросов углерода и повторного использования их в производственном процессе, можно было бы значительно сократить выбросы в этих «трудно поддающихся сокращению» отраслях.
Однако современные экспериментальные технологии улавливания и преобразования углекислого газа представляют собой два отдельных процесса, которые сами по себе требуют большого количества энергии. Исследовательская группа Массачусетского технологического института надеется объединить эти два процесса в интегрированную, гораздо более энергоэффективную систему, которая потенциально могла бы использовать возобновляемую энергию для улавливания и преобразования углекислого газа из концентрированных промышленных ресурсов.
Результаты последних исследований по улавливанию и конверсии углерода
В исследовании, опубликованном 5 сентября в журнале ACSCatasis, исследователи раскрывают скрытую силу улавливания и преобразования углекислого газа с помощью одного электрохимического процесса. Этот процесс включает использование электродов для поглощения углекислого газа, выделяющегося из адсорбента, и преобразования его в восстановленную форму, пригодную для повторного использования.
Другие сообщали о подобных демонстрациях, но механизм электрохимической реакции остается неясным. Команда Массачусетского технологического института провела многочисленные эксперименты, чтобы определить этот фактор, и обнаружила, что в конечном итоге он зависит от парциального давления углекислого газа. Другими словами, чем чище углекислый газ, контактирующий с электродом, тем эффективнее электрод может захватывать и преобразовывать молекулы углекислого газа.
Понимание этого основного фактора, или «активных видов», может помочь ученым настроить и оптимизировать подобные электрохимические системы для эффективного улавливания и преобразования углекислого газа в интегрированном процессе.
Результаты этого исследования показывают, что, хотя эти электрохимические системы могут быть непригодны для очень разреженных сред (например, для улавливания и преобразования выбросов углерода непосредственно из воздуха), они хорошо подходят для высоких концентраций выбросов, производимых промышленными процессами, особенно для тех, для которых нет очевидных возобновляемых альтернатив.
«Мы можем и должны перейти на возобновляемые источники энергии для производства электроэнергии», — сказал автор исследования Бетар Галлант, доцент Массачусетского технологического института по развитию карьеры, 1922 год. «Но глубокая декарбонизация таких отраслей, как производство цемента или стали, является сложной задачей и займет больше времени. Даже если мы выведем из эксплуатации все электростанции, нам понадобятся некоторые решения по сокращению выбросов в других отраслях в краткосрочной перспективе, прежде чем мы сможем полностью декарбонизировать эти отрасли. Именно здесь мы видим золотую середину, и что-то вроде этой системы могло бы вписаться в эту золотую середину».
В число соавторов исследования Массачусетского технологического института входят ведущий автор, постдок Грэм Леверик и аспирантка Элизабет Бернхардт, а также Атея Илиани-Эссе из Университета Санвей в Малайзии. Айсия Иллиани Исмаил, Джун Хуэй Ло, Ариф Арифутзаман и Мохамед Хейреддин Аруа.
Узнайте о процессе улавливания углерода
Технология улавливания углерода предназначена для улавливания выбросов или «дымоходов» из дымовых труб электростанций и производственных предприятий. Выбросы направляются, в первую очередь, посредством крупной модернизации, в камеру, содержащую «улавливающий» раствор (смесь аминов или аминосоединений, которые химически соединяются с диоксидом углерода с образованием стабильной формы, которую можно отделить от остального дымового газа).
Уловленный углекислый газ затем обрабатывается при высоких температурах, часто с использованием пара, образующегося при сжигании ископаемого топлива, чтобы высвободить захваченный углекислый газ из его аминных связей. Чистый углекислый газ можно закачивать в резервуары для хранения или под землю, минерализовать или далее превращать в химикаты или топливо.
«Улавливание углерода — это зрелая технология, и этому химическому составу около 100 лет, но он требует действительно больших установок, а его эксплуатация довольно дорога и энергозатратна», — отмечает Галлант. «Что нам нужно, так это более модульная и гибкая технология, которая сможет адаптироваться к более разнообразным источникам углекислого газа. Электрохимические системы могут помочь решить эту проблему».
Ее исследовательская группа в Массачусетском технологическом институте разрабатывает электрохимическую систему, которая может как перерабатывать уловленный углекислый газ, так и преобразовывать его в уменьшенные, пригодные для использования продукты. По ее словам, такая интегрированная система, а не отдельная, могла бы полностью питаться возобновляемой энергией, а не паром, вырабатываемым из ископаемого топлива.
Их концепция сосредоточена на электроде, который может поместиться в полость существующего решения для улавливания углерода. Когда на электрод подается напряжение, электроны движутся к активной форме углекислого газа и преобразуются в продукты с помощью протонов, поступающих из воды. Таким образом, адсорбент может поглощать больше углекислого газа вместо использования пара для поглощения углекислого газа.
Галлант ранее показал, что этот электрохимический процесс может улавливать углекислый газ и превращать его в твердую карбонатную форму. «На самых ранних концепциях мы показали, что этот электрохимический процесс возможен», — сказала она. «С тех пор были проведены и другие исследования, посвященные использованию этого процесса для производства полезных химикатов и топлива. Но существовало противоречивое объяснение того, как работают эти реакции».
Роль «одного углекислого газа»
В новом исследовании исследовательская группа Массачусетского технологического института использовала увеличительное стекло, чтобы наблюдать за конкретными реакциями, которые управляют электрохимическими процессами. В лаборатории они создали растворы аминов, аналогичные промышленным растворам улавливания, используемым для извлечения углекислого газа из дымовых газов. Они методично варьировали различные свойства каждого раствора, такие как pH, концентрация и тип амина, а затем пропускали каждый раствор через серебряный электрод — металл, широко используемый в исследованиях электролиза и известный своей способностью эффективно превращать углекислый газ в окись углерода. Затем они измерили концентрацию монооксида углерода, преобразованного в конце реакции, и сравнили это число с концентрацией каждого из других протестированных ими растворов, чтобы определить, какой параметр оказал наибольшее влияние на количество образующегося монооксида углерода.
В конце концов они обнаружили, что наибольшее значение имел вовсе не тип амина, который использовался для улавливания углекислого газа, как многие подозревали. Скорее, наиболее важным является концентрация свободно плавающих молекул углекислого газа в растворе, которая позволяет избежать связывания с аминами. Этот «только углекислый газ» определяет конечную концентрацию образующегося угарного газа.
«Мы обнаружили, что этот «одиночный» CO2 вступает в реакцию с большей готовностью, чем CO2, захваченный аминами», — сказал Леверик. «Это говорит будущим исследователям, что этот процесс осуществим в промышленных потоках и может эффективно улавливать высокие концентрации CO2 и превращать его в полезные химикаты и топливо».
«Это не технология удаления, что важно», — подчеркивает Галлант. «Ценность, которую он приносит, заключается в том, что он позволяет нам многократно перерабатывать CO2, сохраняя при этом существующие промышленные процессы, тем самым сокращая сопутствующие выбросы. В конечном счете, я мечтаю использовать электрохимические системы для содействия минерализации и постоянного хранения CO2, что является настоящей технологией удаления. Это долгосрочное видение. И многие научные знания, которые мы начинаем понимать, являются первым шагом в разработке этих процессов».