Een nieuwe manier om koolstofdioxide uit een luchtstroom te verwijderen, zou een belangrijk hulpmiddel kunnen zijn in de strijd tegen klimaatverandering. Het nieuwe systeem kan op vrijwel elk concentratieniveau aan het gas werken, zelfs tot aan de ongeveer 400 deeltjes per miljoen die momenteel in de atmosfeer worden aangetroffen.

De meeste methoden om kooldioxide uit een gasstroom te verwijderen, vereisen hogere concentraties, zoals die gevonden worden in de rookemissies van elektriciteitscentrales op basis van fossiele brandstoffen. Er zijn een paar variaties ontwikkeld die kunnen werken met de lage concentraties in de lucht, maar de nieuwe methode is aanzienlijk minder energie-intensief en duur, zeggen de onderzoekers.

De techniek, gebaseerd op het passeren van lucht door een stapel geladen elektrochemische platen, wordt beschreven in een nieuw artikel in het tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen , door MIT-postdoc Sahag Voskian, die het werk ontwikkelde tijdens zijn Ph.D., en T. Alan Hatton, de Ralph Landau hoogleraar Chemische Technologie.

Het apparaat is in wezen een grote, gespecialiseerde batterij die koolstofdioxide absorbeert uit de lucht (of een andere gasstroom) die over de elektroden gaat terwijl deze wordt opgeladen, en laat vervolgens het gas vrij terwijl het wordt afgevoerd. In bedrijf, het apparaat wisselt gewoon af tussen opladen en ontladen, waarbij verse lucht of voedingsgas door het systeem wordt geblazen tijdens de laadcyclus, en dan de pure, geconcentreerde kooldioxide die tijdens het lossen wordt uitgeblazen.

Terwijl de batterij oplaadt, een elektrochemische reactie vindt plaats aan het oppervlak van elk van een stapel elektroden. Deze zijn bedekt met een verbinding genaamd polyantrachinon, die is samengesteld met koolstofnanobuisjes. De elektroden hebben een natuurlijke affiniteit voor kooldioxide en reageren gemakkelijk met de moleculen in de luchtstroom of het voedingsgas, zelfs wanneer het in zeer lage concentraties aanwezig is. De omgekeerde reactie vindt plaats wanneer de batterij wordt ontladen - waarbij het apparaat een deel van de stroom kan leveren die nodig is voor het hele systeem - en tijdens het proces een stroom pure koolstofdioxide wordt uitgestoten. Het hele systeem werkt bij kamertemperatuur en normale luchtdruk.

"Het grootste voordeel van deze technologie ten opzichte van de meeste andere koolstofafvang- of koolstofabsorberende technologieën is de binaire aard van de affiniteit van het adsorbens voor koolstofdioxide, " legt Voskian uit. Met andere woorden, het elektrodemateriaal, door zijn aard, "heeft ofwel een hoge affiniteit of geen enkele affiniteit, " afhankelijk van de laad- of ontlaadstatus van de batterij. Andere reacties die worden gebruikt voor het afvangen van koolstof vereisen tussenliggende chemische verwerkingsstappen of de invoer van aanzienlijke energie zoals warmte, of drukverschillen.

"Deze binaire affiniteit maakt het mogelijk om koolstofdioxide uit elke concentratie op te vangen, inclusief 400 delen per miljoen, en laat het vrijgeven in elke dragerstroom, inclusief 100 procent CO ₂ , " zegt Voskian. Dat wil zeggen, aangezien elk gas door de stapel van deze platte elektrochemische cellen stroomt, tijdens de afgiftestap wordt het opgevangen kooldioxide meegevoerd. Bijvoorbeeld, als het gewenste eindproduct zuivere kooldioxide is voor gebruik bij het carbonateren van dranken, dan kan een stroom van het zuivere gas door de platen worden geblazen. Het opgevangen gas komt dan vrij van de platen en voegt zich bij de stroom.

In sommige frisdrankbottelinstallaties, fossiele brandstof wordt verbrand om de kooldioxide te genereren die nodig is om de drankjes hun bruisen te geven. evenzo, sommige boeren verbranden aardgas om koolstofdioxide te produceren om hun planten in kassen te voeden. Het nieuwe systeem zou die behoefte aan fossiele brandstoffen in deze toepassingen kunnen elimineren, en daarbij het broeikasgas daadwerkelijk uit de lucht halen, zegt Voskiaan. Alternatief, de zuivere kooldioxidestroom zou voor verwijdering op lange termijn kunnen worden samengeperst en ondergronds worden geïnjecteerd, of zelfs tot brandstof gemaakt door een reeks chemische en elektrochemische processen.

Het proces dat dit systeem gebruikt voor het opvangen en vrijgeven van koolstofdioxide "is revolutionair", zegt hij. "Dit alles is onder omgevingsomstandigheden - er is geen behoefte aan thermische, druk, of chemische input. Het zijn gewoon deze zeer dunne lakens, met beide oppervlakken actief, die in een doos kan worden gestapeld en op een stroombron kan worden aangesloten."

"In mijn laboratoria, we hebben ernaar gestreefd nieuwe technologieën te ontwikkelen om een ​​reeks milieuproblemen aan te pakken die de noodzaak van thermische energiebronnen vermijden, veranderingen in systeemdruk, of toevoeging van chemicaliën om de scheidings- en afgiftecycli te voltooien, " zegt Hatton. "Deze technologie voor het opvangen van kooldioxide is een duidelijke demonstratie van de kracht van elektrochemische benaderingen die slechts kleine spanningsschommelingen vereisen om de scheidingen aan te drijven."

In een werkende fabriek, bijvoorbeeld in een elektriciteitscentrale waar continu uitlaatgas wordt geproduceerd - twee sets van dergelijke stapels elektrochemische cellen zouden naast elkaar kunnen worden opgesteld om parallel te werken, waarbij rookgas eerst naar één set wordt geleid voor koolstofafvang, vervolgens omgeleid naar de tweede set terwijl de eerste set in zijn ontlaadcyclus gaat. Door heen en weer te wisselen, het systeem kan altijd zowel het gas opvangen als het afvoeren. In het labortorium, het team heeft bewezen dat het systeem er minimaal 7 kan weerstaan, 000 laad-ontlaadcycli, met een verlies aan efficiëntie van 30 procent in die tijd. De onderzoekers schatten dat ze dat gemakkelijk kunnen verbeteren tot 20, 000 tot 50, 000 cycli.

De elektroden zelf kunnen worden vervaardigd door middel van standaard chemische verwerkingsmethoden. Terwijl dit tegenwoordig in een laboratoriumomgeving wordt gedaan, het kan worden aangepast zodat ze uiteindelijk in grote hoeveelheden kunnen worden gemaakt via een roll-to-roll fabricageproces vergelijkbaar met een krantendrukpers, zegt Voskiaan. "We hebben zeer kosteneffectieve technieken ontwikkeld, " hij zegt, schatten dat het zou kunnen worden geproduceerd voor iets van tientallen dollars per vierkante meter elektrode.

In vergelijking met andere bestaande koolstofafvangtechnologieën, dit systeem is vrij energiezuinig, met ongeveer één gigajoule energie per ton opgevangen kooldioxide, consequent. Andere bestaande methoden hebben een energieverbruik dat varieert van één tot 10 gigajoule per ton, afhankelijk van de inlaatconcentratie van kooldioxide, zegt Voskiaan.

De onderzoekers hebben een bedrijf opgericht met de naam Verdox om het proces te commercialiseren, en hopen in de komende jaren een fabriek op proefschaal te ontwikkelen, hij zegt. En het systeem is zeer eenvoudig op te schalen, hij zegt:"Als je meer capaciteit wilt, je hoeft alleen maar meer elektroden te maken."

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.