Naukowcy stworzyli nowy materiał hybrydowy zawierający węglan sodu i nanowęgiel do wychwytywania dwutlenku węgla z emisji przemysłowych. Ustalili, że wykazuje on wysoką zdolność wychwytywania CO2, która utrzymuje się przez 10 cykli regeneracji w niskiej temperaturze około 80°C. Źródło: thewritingzone
Naukowcy opracowali nanokompozyt węglowy wykorzystujący węglan sodu, który znacznie poprawia jakość dwutlenku węgla pochodzącego z emisji przemysłowych.
Emisje przemysłowe są jednym z głównych źródeł dwutlenku węgla (CO2), głównego gazu cieplarnianego powiązanego ze zmianami klimatycznymi. Chociaż przyjęcie alternatywnych źródeł energii odnawialnej i czystej jest jedną z możliwości ograniczenia emisji dwutlenku węgla, technologia wychwytywania dwutlenku węgla jest kolejnym rozwiązaniem pozwalającym kontrolować emisję CO2.
W dużych gałęziach przemysłu emitujących CO2, takich jak cementownie, rafinerie ropy naftowej i elektrownie cieplne, technologię wychwytywania dwutlenku węgla można łatwo zastosować w celu usunięcia emisji CO2 bezpośrednio u źródła po rozsądnych kosztach i niskim zużyciu energii. Zbadano różne materiały do wychwytywania CO2 w fabrykach, w tym zeolity, struktury metaloorganiczne, naturalne minerały, zasady i sole metali alkalicznych. Wśród nich węglany metali alkalicznych, takie jak węglan sodu (Na2CO3), uważane są za skuteczne i niedrogie materiały o stabilnych właściwościach i łatwe w pozyskiwaniu.
Wzbogacanie Na2CO3 za pomocą szkieletów węglowych
Teoretycznie Na2CO3 ma przyzwoitą zdolność wychwytywania CO2 i można go łatwo zregenerować do kolejnych zastosowań. Jednakże bezpośrednie zastosowanie Na2CO3 do wychwytywania CO2 powoduje aglomerację kryształów, co prowadzi do niskiej wydajności i krótszej żywotności. Problem ten można wyeliminować stosując szkielet węglowy dla Na2CO3. Porowate materiały węglowe o dobrej łączności porów zapewniają niską gęstość, stabilność strukturalną, hydrofobowość i dużą powierzchnię, która może stabilizować Na2CO3.
Poprzednie badania wykazały, że nanokompozyty węglowe Na2CO3 mają zdolność wychwytywania CO2 na poziomie 5,2 mmol/g. Jednakże badania te nie sprawdzają wpływu temperatur karbonizacji na ogólną wydajność materiału.
Optymalizacja wychwytywania CO2 poprzez karbonizację
Dlatego w nowym badaniu opublikowanym w Energia i paliwa 12 czerwca 2024 r. profesor Hirofumi Kanoh i Bo Zhang z Graduate School of Science na Uniwersytecie Chiba zsyntetyzowali hybrydowy materiał wychwytujący CO2 składający się z Na2CO3 owiniętego porowatym nanowęglem. Następnie ocenili skuteczność wychwytywania i regeneracji CO2 w różnych temperaturach karbonizacji. Hybrydy Na2CO3-węgiel (NaCH) otrzymano przez karbonizację tereftalanu disodu w temperaturach od 873 K do 973 K w obecności azotu jako gazu ochronnego. „Ograniczenie emisji CO2 jest pilną kwestią, lecz wciąż brakuje badań nad metodami i systemami materiałowymi do wychwytywania CO2. Ten hybrydowy układ Na2CO3–węgiel okazał się obiecujący w naszych wstępnych badaniach, co skłoniło nas do dalszych badań” – stwierdza prof. Kanoh.
Postęp w wydajności hybryd NaCH
Zespół zmierzył zdolność wychwytywania CO2 przez materiały hybrydowe w wilgotnych warunkach, aby naśladować warunki panujące w fabrycznych gazach spalinowych. Odkryli, że hybrydy NaCH przygotowane w temperaturach karbonizacji bliskich 913–943 K wykazywały wyższą zdolność wychwytywania CO2. Wśród nich NaCH-923 miał najwyższą zdolność wychwytywania CO2 wynoszącą 6,25 mmol/g i wysoką zawartość węgla przekraczającą 40%, co skutkowało większą powierzchnią, umożliwiając bardziej równomierne rozprowadzenie Na2CO3 na powierzchni nanowęgla. Zmniejszyło to szybkość aglomeracji kryształów Na2CO3 i doprowadziło do szybszej szybkości reakcji.
Po tym, jak NaCH-923 skutecznie wychwycił CO2, naukowcy ponownie podgrzali powstały NaCH-923-CO2 w obecności azotu, aby przetestować jego skuteczność regeneracji. Ustalili, że NaCH-923 można regenerować i wykorzystywać do wychwytywania CO2 przez 10 cykli, zachowując przy tym ponad 95% początkowej zdolności wychwytywania CO2. Wyniki te wskazują, że NaCH-923 wykazuje dobrą wytrzymałość strukturalną, trwałość i regenerację, co czyni go doskonałym materiałem do wychwytywania CO2 w wilgotnych warunkach.
Zastosowania i implikacje NaCH-923
Dalsze eksperymenty z NaCH-923-CO2 wykazały, że próbka uległa gwałtownej zmianie masy w temperaturze 326-373 K (średnio około 80 °C). Ponieważ temperatura gazów spalinowych z elektrowni cieplnych również zwykle mieści się w tym zakresie, ciepło odpadowe z fabryk i elektrowni można z łatwością wykorzystać jako źródło ciepła do regeneracji NaCH-923, skutecznie zmniejszając w ten sposób zużycie energii.
Odkrycia te pokazują, że temperatura karbonizacji znacząco wpływa na wydajność wychwytywania CO2 i zawartość węgla w hybrydach NaCH, przy czym NaCH-923 wykazuje najlepsze właściwości. NaCH-923, będący adsorbentem stałym, może skutecznie wychwytywać CO2 w temperaturze i ciśnieniu otoczenia, z wysoką selektywnością w stosunku do CO2 i bez problemu korozji sprzętu, który występuje w przypadku ciekłych adsorbentów obecnie stosowanych w przemyśle. Co więcej, te cechy pozwalają na jego szerokie zastosowanie w różnych konfiguracjach, środowiskach i różnorodnych warunkach przemysłowych.
Wnioski i perspektywy na przyszłość
„Dzięki przekształceniu Na2CO3, który ma już dobrą zdolność wychwytywania CO2, w nanokompozyt, możliwe stało się zwiększenie szybkości reakcji oraz obniżenie temperatury rozkładu i regeneracji. Umożliwia to wykorzystanie fabrycznego ciepła odpadowego do regeneracji w temperaturze około 80°C, co daje nam energooszczędny system wychwytywania CO2” – podsumowuje prof. Kanoh.
Odniesienie: „Materiał hybrydowy węglan sodu i węgiel do niskoenergetycznego wychwytywania CO2” autorstwa Bo Zhanga i Hirofumi Kanoh, 12 czerwca 2024 r., Energia i paliwa.
DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c01232
Hirofumi Kanoh jest profesorem w Graduate School of Science na Uniwersytecie Chiba w Japonii. Kieruje „Laboratorium Kanoh”, czyli Pracownią Chemii Molekularnej na Wydziale Chemii. Jego główna specjalizacja badawcza obejmuje chemię fizyczną, ze szczególnym uwzględnieniem tworzenia i charakteryzowania nowatorskich nanoporowatych ciał stałych. Jego badania mają na celu rozwój nowych nauk molekularnych, które mogą pomóc chronić środowisko ziemskie poprzez wykorzystanie nanoprzestrzeni w ciałach stałych, a także stworzenie nauki podstawowej mającej na celu zrozumienie i zastosowanie nowych funkcji nanoprzestrzeni i materiałów nanostrukturalnych. Posiada ponad 300 publikacji i ponad 45 patentów z zakresu nanochemii.
