Opracowano innowacyjną membranę, która wychwytuje dwutlenek węgla z powietrza wykorzystując różnicę wilgotności. Ta energooszczędna metoda może pomóc w osiągnięciu celów klimatycznych, oferując zrównoważone źródło dwutlenku węgla do różnych zastosowań. (Koncepcja artysty.) Źródło: SciTechDaily.com
Nowa technologia membranowa opracowana przez Uniwersytet w Newcastle wykorzystuje wilgoć do skutecznego wychwytywania dwutlenku węgla, oferując obiecujące rozwiązanie w zakresie zrównoważonego, bezpośredniego wychwytywania powietrza, niezbędnego do osiągnięcia celów klimatycznych.
Bezpośrednie wychwytywanie powietrza uznano za jeden z „Siedem separacji chemicznych, które zmienią świat’. Dzieje się tak dlatego, że chociaż dwutlenek węgla jest głównym czynnikiem powodującym zmiany klimatyczne (co roku uwalniamy do atmosfery ~40 miliardów ton), oddzielenie dwutlenku węgla od powietrza jest bardzo trudne ze względu na jego rozcieńczone stężenie (~0,04%).
Wyzwania w separacji dwutlenku węgla
Profesor Ian Metcalfe, kierownik działu nowych technologii Królewskiej Akademii Inżynierskiej w Szkole Inżynierii na Uniwersytecie w Newcastle w Wielkiej Brytanii i główny badacz stwierdza: „Procesy separacji w rozcieńczeniu są najtrudniejszym do wykonania rozdziałem z dwóch kluczowych powodów. Po pierwsze, ze względu na niskie stężenie, kinetyka (szybkość) reakcji chemicznych mających na celu usunięcie rozcieńczonego składnika jest bardzo powolna. Po drugie, zagęszczenie rozcieńczonego składnika wymaga dużo energii.”
Oto dwa wyzwania, przed którymi stanęli badacze z Newcastle (wraz z kolegami z Uniwersytetu Wiktorii w Wellington w Nowej Zelandii) Imperial College w Londynie, Wielka Brytania, Uniwersytet Oksfordzki w Wielkiej Brytanii, Uniwersytet Strathclyde w Wielkiej Brytanii i UCL w Wielkiej Brytanii) postanowili zająć się swoim nowym procesem membranowym. Wykorzystując naturalnie występujące różnice wilgotności jako siłę napędową wypompowywania dwutlenku węgla z powietrza, zespół przezwyciężył wyzwanie związane z energią. Obecność wody przyspieszyła także transport dwutlenku węgla przez membranę, stawiając czoła wyzwaniu kinetycznemu.
Innowacje w technologii membranowej
Praca została opublikowana w czasopiśmie Nature Energy, a dr Greg A. Mutch, członek Królewskiej Akademii Inżynierii w Szkole Inżynierii Uniwersytetu w Newcastle w Wielkiej Brytanii, wyjaśnia: „Bezpośrednie wychwytywanie powietrza będzie kluczowym elementem systemu energetycznego przyszłości. Konieczne będzie wychwytywanie emisji z mobilnych, rozproszonych źródeł dwutlenku węgla, których nie można łatwo zdekarbonizować w inny sposób”.
„W naszej pracy demonstrujemy pierwszą syntetyczną membranę zdolną do wychwytywania dwutlenku węgla z powietrza i zwiększania jego stężenia bez tradycyjnego wkładu energii, takiego jak ciepło czy ciśnienie. Myślę, że pomocną analogią może być koło wodne w młynie. Podczas gdy młyn wykorzystuje transport wody w dół do napędzania mielenia, my używamy jej do wypompowywania dwutlenku węgla z powietrza.
Procesy separacji
Procesy separacji leżą u podstaw większości aspektów współczesnego życia. Od żywności, którą jemy, po leki, które zażywamy, aż po paliwa i akumulatory w samochodzie – większość produktów, których używamy, przeszła kilka procesów separacji. Co więcej, procesy separacji są ważne dla minimalizacji ilości odpadów i konieczności rekultywacji środowiska, np. bezpośredniego wychwytywania dwutlenku węgla z powietrza.
Jednak w świecie zmierzającym w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym procesy separacji staną się jeszcze bardziej krytyczne. W tym przypadku można zastosować bezpośrednie wychwytywanie powietrza, aby zapewnić dwutlenek węgla jako surowiec do wytwarzania wielu produktów węglowodorowych, których obecnie używamy, ale w cyklu neutralnym pod względem emisji dwutlenku węgla, a nawet ujemnym pod względem emisji dwutlenku węgla.
Co najważniejsze, obok przejścia na energię odnawialną i tradycyjnego wychwytywania dwutlenku węgla ze źródeł punktowych, takich jak elektrownie, bezpośrednie przechwytywanie powietrza jest niezbędne do realizacji celów klimatycznych, takich jak cel 1,5°C określony w porozumieniu paryskim.
Wychwytywanie dwutlenku węgla pod wpływem wilgoci
Dr Evangelos Papaioannou, starszy wykładowca w School of Engineering na Uniwersytecie w Newcastle w Wielkiej Brytanii wyjaśnia: „W ramach odejścia od typowego działania membranowego, jak opisano w artykule badawczym, zespół przetestował nową membranę przepuszczającą dwutlenek węgla z różnymi występujące na nim różnice wilgotności. Kiedy wilgotność była wyższa po stronie wyjściowej membrany, membrana spontanicznie pompowała dwutlenek węgla do strumienia wyjściowego.
Wspólne wysiłki i przyszłe kierunki
Korzystanie z rentgenowskiej tomografii mikrokomputerowej we współpracy ze współpracownikami z UCL i Uniwersytet Oksfordzkizespołowi udało się precyzyjnie scharakteryzować strukturę membrany. Umożliwiło im to przeprowadzenie solidnych porównań wydajności z innymi najnowocześniejszymi membranami.
Kluczowym aspektem pracy było modelowanie procesów zachodzących w membranie w skali molekularnej. Korzystając z obliczeń teorii funkcjonału gęstości prowadzonych we współpracy ze współpracownikiem z Uniwersytetu Wiktorii w Wellington i Imperial College w Londynie, zespół zidentyfikował „nośniki” w membranie. Nośnik w unikalny sposób transportuje zarówno dwutlenek węgla, jak i wodę, ale nic więcej. Do uwolnienia dwutlenku węgla z membrany potrzebna jest woda, a do uwolnienia wody potrzebny jest dwutlenek węgla. Z tego powodu energię wynikającą z różnicy wilgotności można wykorzystać do przepuszczenia dwutlenku węgla przez membranę z niskiego do wyższego stężenia.
Profesor Metcalfe dodaje: „To był prawdziwy kilkuletni wysiłek zespołowy. Jesteśmy bardzo wdzięczni za wkład naszych współpracowników oraz za wsparcie ze strony Królewskiej Akademii Inżynierii oraz Rady ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi”.
Odniesienie: „Separacja i stężenie dwutlenku węgla z powietrza za pomocą sterowanej wilgocią membrany ze stopionego węglanu” autorstwa IS Metcalfe, GA Mutch, EI Papaioannou, S. Tsochataridou, D. Neagu, DJL Brett, F. Iacoviello, TS Miller, PR Shearing, PA Hunt, 19 lipca 2024 r., Energia Natury.
DOI: 10.1038/s41560-024-01588-6
