Chemici van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een praktische, energiezuinige methode om kooldioxide (CO2) direct uit de lucht af te vangen. Ze rapporteren hun bevindingen in Natuur Energie . Indien op grote schaal ingezet en gekoppeld aan geologische opslag, de techniek kan de portefeuille van reacties op de wereldwijde klimaatverandering versterken.

"Negatieve emissietechnologieën - voor netto verwijdering van broeikasgassen uit de atmosfeer - worden nu als essentieel beschouwd voor het stabiliseren van het klimaat, " zei Radu Custelcean van ORNL, die het onderzoek heeft bedacht en geleid. Dit advies weerspiegelt de conclusies van een recent rapport van de National Academy of Sciences. "Onze directe-air-capture-aanpak vormt de basis voor een energie-duurzame negatieve-emissietechnologie, " hij voegde toe.

De prestatie bouwt voort op een proof-of-principle-onderzoek dat de chemici vorig jaar hebben uitgevoerd, die werd verbeterd door een proces van twee cycli dat de snelheid en capaciteit van de CO2-absorptie drastisch verhoogde en dat zowel het aminozuursorbens als de guanidineverbinding volledig recycleert.

Het is goedkoper en gemakkelijker om de CO2-uitstoot bij de bron te verminderen dan om de uitstoot uit de atmosfeer terug te winnen. Achteloos, grootschalige toepassing van technologieën zoals directe luchtafvang van CO2 wordt nu noodzakelijk geacht om de stijging van de gemiddelde mondiale temperatuur te beperken tot 2 graden C (~ 4 graden Fahrenheit).

Om de opwarming tot 2 graden Celsius te beperken, zouden miljarden tonnen moeten worden gegrepen, of gigaton, van CO2 uit de atmosfeer. In principe, bomen kunnen het. Echter, om CO2 op deze schaal af te vangen, "Je zou bomen moeten planten op een oppervlakte zo groot als India, ", aldus Custelcean. Om een ​​gigaton CO2 per jaar af te vangen met industriële scrubbers zou er slechts ongeveer 7 nodig zijn, 000 vierkante kilometer (~2, 700 vierkante mijl) - een gebied dat kleiner is dan het grote eiland Hawaï, zei co-auteur Neil Williams.

Voor de recente ORNL-studie, Williams en Flavien Brethomé mengden aminozuren met water om een ​​waterig sorptiemiddel te maken om CO2 uit de lucht te halen. Aminozuren zijn veiliger dan bijtende natrium- of kaliumhydroxiden of stinkende aminen, de sorptiemiddelen die worden gebruikt in industriële CO2-scrubbers.

De wetenschappers stopten hun waterige sorptiemiddel in een huishoudelijke luchtbevochtiger om het contact tussen lucht en sorptiemiddel te maximaliseren en zo de CO2-opname te versnellen. Eenmaal opgenomen in de vloeistof, de CO2 vormde een bicarbonaatzout.

Collega Charles Seipp had een organische verbinding ontworpen en gesynthetiseerd die guanidinen bevat, chemische groepen die veel voorkomen in eiwitten die negatief geladen ionen kunnen binden. Williams en Brethomé hebben Seipp's guanidineverbinding toegevoegd aan de beladen aminozuurabsorberende oplossing die bicarbonaat bevat, het creëren van een onoplosbaar carbonaatzout dat neersloeg uit de oplossing en het regenereren van het aminozuursorbens, die kunnen worden gerecycled.

Een cruciaal onderdeel van de studie was een grondige thermodynamische analyse van het proces door Custelcean en Michelle Kidder, die bepaalde hoeveel energie er nodig was om elke chemische reactie aan te drijven. De laatste stap – het vrijmaken van CO2 uit de carbonaatkristallen zodat het langdurig kan worden opgeslagen – is vooral belangrijk voor het ontwikkelen van een energie-duurzaam proces. Omdat de CO2 is gebonden in een vaste guanidinecarbonaat, het kan vrijkomen bij veel lagere temperaturen (80-160 graden C, of 176-320 graden F) dan van de anorganische zouten die worden gebruikt in de huidige afvangtechnologieën, die temperaturen van meer dan 800 graden C vereisen (1, 472 graden F) om de CO2 vrij te maken. Hoe dan ook, de analyse toonde aan dat de warmte die nodig is om de CO2 uit de guanidinecarbonaatkristallen vrij te maken nog steeds aanzienlijk is.

Om het totale proces energie-duurzaam te maken, Custelcean besloot geconcentreerde zonne-energie in te zetten. Hij kocht een oven op zonne-energie, normaal gebruikt om voedsel te koken met behulp van een parabolische spiegel om de zonnestralen te concentreren. De guanidinecarbonaatkristallen werden op een schaal in de zonneoven geplaatst, en de CO2 kwam in slechts 2 minuten vrij, in een proces waarbij de guanidineverbinding wordt geregenereerd voor recycling.

"Het gebruik van hernieuwbare energie is belangrijk omdat je zoveel mogelijk wilt voorkomen dat je meer CO2 produceert terwijl je probeert het af te vangen, " zei Custelcean. Dit experiment gebruikte zonnewarmte, maar afvalwarmte, zoals van airconditioners en energiecentrales, zou ook werken, hij zei.

Vooruit gaan, willen de onderzoekers eenvoudiger ontwerpen, efficiëntere sorptiemiddelen op basis van guanidine en een beter begrip krijgen van de structurele, thermodynamische en mechanistische aspecten van het directe luchtafvangproces.

"Alle kristallen die we tot nu toe hebben gemaakt, bevatten water dat de carbonaatanionen hydrateert, " legde Custelcean uit. "Als je probeert om de CO2, je moet het water ook desorberen, en dat kost de meeste energie. We proberen de volgende generatie guanidine-liganden te ontwerpen die de CO2 binden als 'droog' carbonaat."

ORNL's bench-scale proces kan momenteel maar liefst 100 gram CO2 opvangen in 24 uur.

De onderzoekers hebben patenten aangevraagd die het proces beschrijven. Voor de volgende fase, ze zoeken een industriële partner om het proces op te schalen van een benchtopdemo naar een proeffabriek en, eventueel, grootschalige industriële installatie.

De titel van het artikel is "Directe luchtafvang van CO2 via waterige fase-absorptie en kristallijne fase-afgifte met behulp van geconcentreerde zonne-energie."

Het DOE Office of Science ondersteunde het onderzoek.