Wetenschappers van Sandia National Laboratories en de Universiteit van New Mexico hebben een biologisch geïnspireerd membraan ontwikkeld dat bedoeld is om koolstofdioxide bijna volledig te zuiveren van de rook van kolengestookte elektriciteitscentrales.

Het gepatenteerde werk, onlangs gemeld in Natuurcommunicatie , heeft geïnteresseerde elektriciteits- en energiebedrijven die de uitstoot van kooldioxide aanzienlijk en goedkoop willen verminderen, een van de meest voorkomende broeikasgassen, en andere mogelijke toepassingen van de uitvinding te onderzoeken.

De memzyme voldoet aan de normen van het Department of Energy door 90 procent van de kooldioxideproductie van energiecentrales op te vangen tegen relatief lage kosten van $ 40 per ton.

Onderzoekers noemen het membraan een "memzyme" omdat het werkt als een filter maar bijna verzadigd is met een enzym. koolzuuranhydrase, ontwikkeld door levende cellen gedurende miljoenen jaren om efficiënt en snel koolstofdioxide kwijt te raken.

"Daten, het strippen van kooldioxide uit rook was onbetaalbaar met de dikke, stevig, momenteel beschikbare polymeermembranen, " zegt Jeff Brinker, een Sandia kerel, Regentenprofessor van de Universiteit van New Mexico en hoofdauteur van het artikel.

"Onze goedkope methode volgt het voorbeeld van de natuur in ons gebruik van een membraan op waterbasis van slechts 18 nanometer dik dat natuurlijke enzymen bevat om 90 procent van de vrijgekomen koolstofdioxide op te vangen. (Een nanometer is ongeveer 1/700 van de diameter van een mensenhaar.) Dit is bijna 70 procent beter dan de huidige commerciële methoden, en het is gedaan tegen een fractie van de kosten."

Kolencentrales zijn een van de grootste energieproducenten van de Verenigde Staten, maar sommigen zijn bekritiseerd omdat ze meer koolstofdioxide de atmosfeer in sturen dan enige andere vorm van elektriciteitsopwekking. Nog altijd, kolenverbranding in China, India en andere landen betekent dat onthouding van de VS alleen de klimaatproblemen in de wereld waarschijnlijk niet zal oplossen.

Maar, zegt Brinker, "Misschien zal technologie dat doen."

De vorming van het apparaat begint met een droogproces dat door verdamping veroorzaakte zelfassemblage wordt genoemd. 20 jaar geleden voor het eerst ontwikkeld bij Sandia door Brinker en een vakgebied op zich.

De procedure creëert een dicht opeengepakte reeks silica-nanoporiën die zijn ontworpen om het koolzuuranhydrase-enzym te huisvesten en stabiel te houden. Dit gebeurt in verschillende stappen. Eerst, de reeks, die 100 nanometer lang kan zijn, wordt behandeld met een techniek die atomaire laagafzetting wordt genoemd om het oppervlak met nanoporiën waterafstotend of hydrofoob te maken. Dit wordt gevolgd door een zuurstofplasmabehandeling die het waterafstotende oppervlak bedekt om de nanoporiën waterminnend of hydrofiel te maken, maar alleen tot een diepte van 18 nanometer. Een oplossing van het enzym en water vult zich spontaan en wordt gestabiliseerd in het waterminnende deel van de nanoporiën. Hierdoor ontstaan ​​membranen van water van 18 nanometer dik, met een koolzuuranhydraseconcentratie die 10 keer groter is dan de tot nu toe gemaakte waterige oplossingen.

De oplossing, thuis in zijn waterminnende hoes, stabiel is. Maar vanwege het vermogen van het enzym om kooldioxide snel en selectief op te lossen, het katalytische membraan heeft het vermogen om de overgrote meerderheid van de kooldioxidemoleculen op te vangen die er tegenaan komen vanuit een opstijgende wolk van kolenrook. De gehaakte moleculen gaan dan snel door de membranen, uitsluitend aangedreven door een natuurlijk voorkomende drukgradiënt veroorzaakt door het grote aantal kooldioxidemoleculen aan de ene kant van het membraan en hun relatieve afwezigheid aan de andere kant. Het chemische proces verandert het gas kort in koolzuur en vervolgens in bicarbonaat voordat het onmiddellijk stroomafwaarts als kooldioxidegas wordt afgevoerd. Het gas kan worden geoogst met een zuiverheid van 99 procent - zo zuiver dat het door oliemaatschappijen kan worden gebruikt voor de winning van hulpbronnen. Andere moleculen passeren ongestoord het oppervlak van het membraan. Het enzym is herbruikbaar, en omdat het water eerder als medium dan als acteur dient, hoeft niet te worden vervangen.

Door verdamping drogen de nanoporiën langdurig uit. Dit zal worden gecontroleerd door waterdamp die opstijgt uit lagere waterbaden die al in elektriciteitscentrales zijn geïnstalleerd om de zwavelemissies te verminderen. En, enzymen die door gebruik in de loop van de tijd zijn beschadigd, kunnen gemakkelijk worden vervangen.

zegt Brinker, "De zeer hoge concentratie koolzuuranhydrase, samen met de dunheid van het waterkanaal, resulteren in een zeer hoge kooldioxidestroom door het membraan. Hoe groter de koolzuuranhydraseconcentratie, hoe groter de stroom. Hoe dunner het membraan, hoe groter de stroom."

De opstelling van het membraan in het rookkanaal van een generatorstation zou zijn als die van een katalysator in een auto, stelt Brinker voor. De membranen zouden op het binnenoppervlak van een buis zitten die als een honingraat was gerangschikt. Het rookgas zou door de in het membraan ingebedde buis stromen, met een kooldioxidevrije gasstroom aan de buitenkant van de buizen. Het variëren van de buislengte en -diameter zou het extractieproces van kooldioxide optimaliseren.

"Energiemaatschappijen en olie- en gasbedrijven hebben interesse getoond in het optimaliseren van de gasfilters voor specifieke omstandigheden, " zegt Susan Rempe, Sandia-onderzoeker en co-auteur, die het idee opperde en ontwikkelde om koolzuuranhydrase in de wateroplossing in te voegen om de snelheid te verbeteren waarmee koolstofdioxide kan worden opgenomen en uit het membraan kan worden afgegeven. "Het enzym kan het oplossen van een miljoen koolstofdioxidemoleculen per seconde katalyseren, de snelheid van het proces enorm verbeteren. Met optimalisatie per branche, de memzyme kan elektriciteitsproductie goedkoop en groen maken, " ze zegt.

Het scheidingsproces zou de hoeveelheid brandstof kunnen vergroten die wordt verkregen door verbeterde oliewinning met behulp van kooldioxide dat in bestaande reservoirs wordt geïnjecteerd.

Een iets ander enzym, gebruikt in hetzelfde proces, kan methaan - een nog krachtiger broeikasgas - omzetten in de meer oplosbare methanol voor verwijdering, ze zegt.

Voorafgaande reiniging door industriële wassers betekent dat de opstijgende rook schoon genoeg zal zijn om de membraanefficiëntie niet significant aan te tasten. zegt Ying-Bing Jiang, professor aan de Universiteit van New Mexico en co-auteur van papers, die het idee heeft bedacht en ontwikkeld om waterige membranen te gebruiken op basis van de processen van het menselijk lichaam om koolstofdioxide af te scheiden. De membranen hebben maandenlang efficiënt gefunctioneerd in laboratoriumomgevingen.

De procedure kan ook kooldioxide op een ruimtevaartuig vastleggen, de auteurs vermelden, omdat de membranen werken bij omgevingstemperaturen en uitsluitend worden aangedreven door chemische gradiënten.