Een nieuw systeem ontwikkeld door chemische ingenieurs van MIT zou een manier kunnen bieden om continu koolstofdioxide te verwijderen uit een stroom afvalgassen, of zelfs vanuit de lucht. Het belangrijkste onderdeel is een elektrochemisch ondersteund membraan waarvan de doorlaatbaarheid voor gas naar believen kan worden in- en uitgeschakeld, zonder bewegende delen en relatief weinig energie.

De membranen zelf, gemaakt van geanodiseerd aluminiumoxide, hebben een honingraatachtige structuur die bestaat uit zeshoekige openingen waardoor gasmoleculen in open toestand in en uit kunnen stromen. Echter, gasdoorgang kan worden geblokkeerd wanneer een dunne laag metaal elektrisch wordt afgezet om de poriën van het membraan te bedekken. Het werk wordt beschreven in het journaal wetenschappelijke vooruitgang , in een paper van professor T. Alan Hatton, postdoc Yayuan Liu, en vier anderen.

Dit nieuwe "gasgating"-mechanisme zou kunnen worden toegepast op de continue verwijdering van kooldioxide uit een reeks industriële uitlaatstromen en uit de omgevingslucht, zegt het team. Ze hebben een proof-of-concept-apparaat gebouwd om dit proces in actie te laten zien.

Het apparaat maakt gebruik van een redox-actief koolstofabsorberend materiaal, ingeklemd tussen twee schakelbare gaspoortmembranen. Het sorptiemiddel en de poortmembranen staan ​​in nauw contact met elkaar en zijn ondergedompeld in een organische elektrolyt om een ​​medium te bieden voor zinkionen om heen en weer te pendelen. Deze twee poortmembranen kunnen elektrisch worden geopend of gesloten door de polariteit van een spanning ertussen te schakelen, waardoor zinkionen van de ene naar de andere kant pendelen. De ionen blokkeren tegelijkertijd één kant, door er een metaalfilm over te vormen, terwijl je de andere opent, door de film weg op te lossen.

Wanneer de sorptielaag open is naar de kant waar de rookgassen langs stromen, het materiaal neemt gemakkelijk koolstofdioxide op totdat het zijn capaciteit bereikt. De spanning kan dan worden geschakeld om de voedingszijde af te sluiten en de andere zijde te openen, waar een geconcentreerde stroom van bijna zuivere koolstofdioxide vrijkomt.

Door een systeem te bouwen met afwisselende membraansecties die in tegengestelde fasen werken, het systeem zou continue werking mogelijk maken in een omgeving zoals een industriële scrubber. Op elk moment, de helft van de secties zou het gas absorberen, terwijl de andere helft het zou afgeven.

"Dat betekent dat er aan de ene kant een voedingsstroom in het systeem komt en de productstroom aan de andere kant in een ogenschijnlijk continue werking, " zegt Hatton. "Deze aanpak vermijdt veel procesproblemen" die bij een traditioneel systeem met meerdere kolommen betrokken zouden zijn, waarin adsorptiebedden afwisselend moeten worden stilgelegd, gezuiverd, en dan geregenereerd, alvorens opnieuw te worden blootgesteld aan het voedingsgas om de volgende adsorptiecyclus te beginnen. In het nieuwe systeem is de zuiveringsstappen zijn niet vereist, en de stappen vinden allemaal netjes plaats in het apparaat zelf.

De belangrijkste innovatie van de onderzoekers was het gebruik van galvanisatie als een manier om de poriën in een materiaal te openen en te sluiten. Onderweg had het team verschillende andere benaderingen geprobeerd om de poriën in een membraanmateriaal omkeerbaar te sluiten, zoals het gebruik van kleine magnetische bolletjes die kunnen worden geplaatst om trechtervormige openingen te blokkeren, maar deze andere methoden bleken niet efficiënt genoeg. Dunne metalen films kunnen bijzonder effectief zijn als gasbarrières, en de ultradunne laag die in het nieuwe systeem wordt gebruikt, vereist een minimale hoeveelheid zinkmateriaal, die overvloedig en goedkoop is.

"Het maakt een zeer uniforme coatinglaag met een minimale hoeveelheid materialen, " zegt Liu. Een belangrijk voordeel van de galvaniseermethode is dat als de toestand eenmaal is veranderd, of het nu in de open of gesloten positie is, het vereist geen energie-input om die toestand te behouden. Er is alleen energie nodig om weer terug te schakelen.

Mogelijk, een dergelijk systeem zou een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan het beperken van de uitstoot van broeikasgassen in de atmosfeer, en zelfs het direct opvangen van koolstofdioxide dat al is uitgestoten.

Terwijl de aanvankelijke focus van het team lag op de uitdaging om koolstofdioxide te scheiden van een stroom gassen, het systeem zou kunnen worden aangepast aan een breed scala aan chemische scheidings- en zuiveringsprocessen, zegt Hatton.

"We zijn behoorlijk enthousiast over het poortmechanisme. Ik denk dat we het in verschillende toepassingen kunnen gebruiken, in verschillende configuraties, " zegt hij. "Misschien in microfluïdische apparaten, of misschien kunnen we het gebruiken om de gassamenstelling voor een chemische reactie te regelen. Er zijn veel verschillende mogelijkheden."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.