Een grote vooruitgang in de technologie voor het opvangen van koolstof zou een efficiënte en goedkope manier kunnen zijn voor aardgascentrales om koolstofdioxide uit hun rookemissies te verwijderen, een noodzakelijke stap in het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen om de opwarming van de aarde en de klimaatverandering te vertragen.

Ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory en ExxonMobil, de nieuwe techniek maakt gebruik van een zeer poreus materiaal dat een metaal-organisch raamwerk wordt genoemd, of MOF, gemodificeerd met stikstofhoudende aminemoleculen om de CO . op te vangen ₂ en stoom op lage temperatuur om de CO . weg te spoelen ₂ voor ander gebruik of om het ondergronds op te bergen.

Bij experimenten, de techniek toonde een zes keer grotere capaciteit voor het verwijderen van CO ₂ uit rookgas dan de huidige op amine gebaseerde technologie, en het was zeer selectief, meer dan 90% van de CO . opvangen ₂ uitgezonden. Het proces maakt gebruik van stoom op lage temperatuur om de MOF te regenereren voor herhaald gebruik. wat betekent dat er minder energie nodig is voor het afvangen van koolstof.

"Voor CO ₂ vastlegging, stoomstrippen - waarbij u direct contact met stoom gebruikt om de CO . te verwijderen ₂ - is een soort heilige graal voor het veld geweest. Het wordt terecht gezien als de goedkoopste manier om het te doen, " zei senior onderzoeker Jeffrey Long, UC Berkeley hoogleraar scheikunde en chemische en biomoleculaire engineering en senior faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab. "Deze materialen, althans van de experimenten die we tot nu toe hebben gedaan, ziet er veelbelovend uit."

Omdat er weinig markt is voor de meeste afgevangen CO ₂ , elektriciteitscentrales zouden waarschijnlijk het meeste terug in de grond pompen, of sekwester het, waar het idealiter in steen zou veranderen. De kosten van het wassen van de emissies zouden moeten worden gefaciliteerd door overheidsbeleid, zoals koolstofhandel of een koolstofbelasting, CO . stimuleren ₂ vangst en sekwestratie, iets wat veel landen al hebben geïmplementeerd.

Het werk werd gefinancierd door ExxonMobil, die samenwerkt met zowel de Berkeley-groep als de start-up van Long, Mozaïekmaterialen Inc., ontwikkelen, opschalen en testen van processen voor het strippen van CO ₂ uit emissies.

Long is de hoofdauteur van een paper waarin de nieuwe techniek wordt beschreven en die in het 24 juli-nummer van het tijdschrift zal verschijnen Wetenschap .

"We waren in staat om de eerste ontdekking te doen en, door onderzoek en testen, een materiaal afleiden dat in laboratoriumexperimenten het potentieel heeft aangetoond om niet alleen CO . af te vangen ₂ onder de extreme omstandigheden die aanwezig zijn in de rookgasemissies van aardgascentrales, maar om dit te doen zonder verlies aan selectiviteit, " zei co-auteur Simon Weston, senior onderzoeksmedewerker en projectleider bij ExxonMobil Research and Engineering Co. "We hebben aangetoond dat deze nieuwe materialen vervolgens kunnen worden geregenereerd met laagwaardige stoom voor herhaald gebruik, het bieden van een weg voor een haalbare oplossing voor koolstofafvang op schaal."

Kooldioxide-emissies door voertuigen die op fossiele brandstoffen rijden, elektriciteitscentrales en industrie zijn verantwoordelijk voor naar schatting 65% van de broeikasgassen die klimaatverandering veroorzaken, die de gemiddelde temperatuur van de aarde sinds de 19e eeuw al met 1,8 graden Fahrenheit (1 graad Celsius) heeft verhoogd. Zonder een daling van deze emissies, klimaatwetenschappers voorspellen steeds hogere temperaturen, meer grillige en hevige stormen, enkele meters zeespiegelstijging en de daaruit voortvloeiende droogtes, overstromingen, branden, hongersnood en conflicten.

"In werkelijkheid, van het soort dingen dat het Intergouvernementeel Panel inzake klimaatverandering zegt dat we moeten doen om de opwarming van de aarde te beheersen, CO ₂ vastleggen is een groot deel, "Long zei. "We hebben geen nut voor de meeste CO ₂ dat we moeten stoppen met uitstoten, maar we moeten het doen."

Strippen

Energiecentrales strippen CO ₂ van rookemissies vandaag door rookgassen door organische amines in water te laten borrelen, die de kooldioxide binden en extraheren. De vloeistof wordt vervolgens verwarmd tot 120-150 C (250-300 F) om de CO . vrij te maken ₂ gas, waarna de vloeistoffen worden hergebruikt. Het hele proces verbruikt ongeveer 30% van de opgewekte stroom. Vastleggen van de afgevangen CO ₂ ondergrondse kost een extra, hoewel klein, fractie daarvan.

Zes jaar geleden, Long en zijn groep in UC Berkeley's Center for Gas Seperations, die wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, ontdekte een chemisch gemodificeerde MOF die gemakkelijk CO . opvangt ₂ van geconcentreerde rookgasemissies van elektriciteitscentrales, mogelijk de opnamekosten met de helft verminderen. Ze voegden diaminemoleculen toe aan een op magnesium gebaseerde MOF om de vorming van polymeerketens van CO . te katalyseren ₂ dat kan dan worden gespoeld door te spoelen met een vochtige stroom kooldioxide.

Omdat MOF's erg poreus zijn, in dit geval als een honingraat, een hoeveelheid die het gewicht van een paperclip een intern oppervlak heeft dat gelijk is aan dat van een voetbalveld, allemaal beschikbaar voor het adsorberen van gassen.

Een groot voordeel van de MOF's waaraan amine is toegevoegd, is dat de amines kunnen worden aangepast om CO . af te vangen ₂ in verschillende concentraties, variërend van de 12% tot 15% die typisch is voor de uitstoot van kolencentrales tot de 4% die typisch is voor aardgascentrales, of zelfs de veel lagere concentraties in de lucht. Mozaïek materialen, die Long medeoprichter en regisseerde, is gemaakt om deze techniek op grote schaal beschikbaar te maken voor elektriciteitscentrales en industriële installaties.

Maar de 180 C stroom van water en CO ₂ nodig om de opgevangen CO . te spoelen ₂ verdrijft uiteindelijk de diaminemoleculen, de levensduur van het materiaal verkorten. De nieuwe versie maakt gebruik van vier aminemoleculen - een tetraamine - die veel stabieler is bij hoge temperaturen en in aanwezigheid van stoom.

"De tetraaminen zijn zo sterk gebonden in de MOF dat we een zeer geconcentreerde stroom waterdamp kunnen gebruiken zonder CO ₂ , en als je dat met de vorige adsorbentia hebt geprobeerd, de stoom zou het materiaal gaan vernietigen, ' zei Lang.

Ze toonden aan dat direct contact met stoom bij 110-120 C - een beetje boven het kookpunt van water - goed werkt om de CO weg te spoelen ₂ . Stoom van die temperatuur is direct beschikbaar in aardgascentrales, terwijl de 180 C CO ₂ -watermix die nodig is om de eerder gewijzigde MOF vereiste verwarming te regenereren, wat energie verspilt.

Wanneer lang, Weston en hun collega's dachten eerst aan het vervangen van diaminen door hardere tetraaminen, het leek een schot in de roos. Maar kristalstructuren van de diamine-bevattende MOF's suggereerden dat er manieren zouden kunnen zijn om twee diaminen te verbinden om een ​​tetraamine te vormen, terwijl het vermogen van het materiaal om CO te polymeriseren behouden blijft. ₂ . Toen UC Berkeley afgestudeerde student Eugene Kim, de eerste auteur van de krant, chemisch de tetraamine-toegevoegde MOF gemaakt, het presteerde bij de eerste poging beter dan de met diamine toegevoegde MOF.

De onderzoekers bestudeerden vervolgens de structuur van de gewijzigde MOF met behulp van Berkeley Lab's Advanced Light Source, waaruit blijkt dat de CO ₂ polymeren die de poriën van de MOF bekleden, zijn eigenlijk verbonden door de tetraamines, als een ladder met tetraamines als sporten. Eerste-principes dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen met behulp van de Cori-supercomputer in Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), computerbronnen bij de Molecular Foundry en bronnen die werden geleverd door het Berkeley Research Computing-programma van de campus bevestigden deze opmerkelijke structuur die het team van Long aanvankelijk voor ogen had.

"Ik doe al 23 jaar onderzoek bij Cal, en dit is een van die momenten waarop je een gek idee hebt, en het werkte meteen, ' zei Lang.

Co-auteurs met Long, Kim en Weston zijn Joseph Falkowski van ExxonMobil; Rebecca Siegelman, Hendrik Jiang, Alexander Forse, Jeffrey Martel, Filip Milner, Jeffrey Reimer en Jeffrey Neaton van UC Berkeley; en Jung-Hoon Lee van Berkeley Lab. Neaton en Reimer zijn ook senior wetenschappers van de faculteit bij Berkeley Lab.