Een computationele modelleringsmethode die is ontwikkeld aan de Swanson School of Engineering van de Universiteit van Pittsburgh, kan helpen om de identificatie en het ontwerp van nieuwe koolstofafvang- en opslagmaterialen voor gebruik door de kolengestookte elektriciteitscentrales van het land te versnellen. De hypothetische gemengde matrixmembranen zouden een meer economische oplossing bieden dan de huidige methoden, met een voorspelde kostprijs van minder dan $ 50 per ton koolstofdioxide (CO ₂ ) VERWIJDERD.

De onderzoeksgroep, geleid door Christopher Wilmer, assistent-professor chemische en petroleumtechnologie, in samenwerking met co-onderzoeker Jan Steckel, onderzoekswetenschapper bij het National Energy Technology Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, en het in Pittsburgh gevestigde AECOM - publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Energie- en milieuwetenschap ("High-throughput computationele voorspelling van de kosten van koolstofafvang met behulp van gemengde matrixmembranen").

"Polymeermembranen worden al tientallen jaren gebruikt om materialen te filteren en te zuiveren, maar zijn beperkt in hun gebruik voor het afvangen en opslaan van koolstof, " merkte dr. Wilmer op, die het Hypothetical Materials Lab leidt op de Swanson School. "Gemengde matrixmembranen, die polymere membranen zijn met kleine, anorganische deeltjes verspreid in het materiaal, tonen extreme belofte vanwege hun scheidings- en permeabiliteitseigenschappen. Echter, het aantal potentiële polymeren en anorganische deeltjes is significant, en dus kan het vinden van de beste combinatie voor het afvangen van koolstof ontmoedigend zijn."

Volgens dr. Wilmer, de onderzoekers bouwden voort op hun uitgebreide onderzoek in metaal-organische raamwerken (MOF's), dit zijn zeer poreuze kristallijne materialen die zijn gemaakt via de zelfassemblage van anorganisch metaal met organische linkers. Deze MOF's, die een groter volume gassen kan opslaan dan traditionele tanks, zijn zeer veelzijdig en kunnen worden gemaakt van een verscheidenheid aan materialen en op maat ontworpen met specifieke eigenschappen.

Dr. Wilmer en zijn groep onderzochten bestaande databases van hypothetische en echte MOF's voor hun onderzoek, wat resulteert in meer dan een miljoen potentiële gemengde matrixmembranen. Vervolgens vergeleken ze de voorspelde gaspermeatie van elk materiaal met gepubliceerde gegevens, en evalueerde ze op basis van een opnameproces in drie fasen. Variabelen zoals stroomsnelheid, vang fractie, druk- en temperatuuromstandigheden werden geoptimaliseerd als een functie van membraaneigenschappen met als doel het identificeren van specifieke gemengde matrixmembranen die betaalbare koolstofafvangkosten zouden opleveren. De mogelijke implicaties voor het onderzoek van de Wilmer-groep zijn enorm. Hoewel kolencentrales alleen al in de VS momenteel slechts 30 procent van de nationale energieportfolio vertegenwoordigen, in 2017 droegen zij het grootste aandeel van 1, 207 miljoen ton CO ₂ , of 69 procent van de totale Amerikaanse energiegerelateerde CO ₂ emissies door de hele Amerikaanse elektriciteitssector. (Bron:U.S. Energy Information Administration.)

"Onze computationele modellering van zowel hypothetische als echte MOF's resulteerde in een nieuwe database van meer dan een miljoen gemengde matrixmembranen met bijbehorende CO ₂ prestaties en bijbehorende kosten vastleggen, " zei Dr. Wilmer. "Verdere techno-economische analyses leverden 1, 153 gemengde matrixmembranen met koolstofafvangkosten van minder dan $ 50 per verwijderde ton. Dus, het potentieel bestaat voor het creëren van een economisch betaalbare en efficiënte manier van CO ₂ afvang in kolencentrales over de hele wereld en het effectief aanpakken van een belangrijke bron van door fossiele brandstoffen gegenereerde koolstofdioxide in de atmosfeer."