Menselijke activiteit leidt nu tot het equivalent van 40 miljard ton koolstofdioxide die elk jaar in de atmosfeer wordt uitgestoten, ons op het goede spoor zetten om de temperatuur op aarde tegen 2040 met 1,5 graad Celsius te verhogen ten opzichte van het pre-industriële niveau. Volgens het Intergouvernementeel Panel voor klimaatverandering (IPCC), we moeten de opwarming van de aarde beperken tot 1,5 graad Celsius om de gevaarlijkste gevolgen van klimaatverandering te voorkomen.

Meer en meer, wetenschappers erkennen dat technologieën voor negatieve emissies (NET's) om koolstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen en vast te leggen een essentieel onderdeel zullen zijn van de strategie om de klimaatverandering te matigen. Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium (Berkeley Lab), een multidisciplinair onderzoekslaboratorium van de afdeling Energie, streeft naar een portfolio van technologieën voor negatieve emissies en aanverwant onderzoek. Deze variëren van geologische en terrestrische opslag, om te zetten in bioproducten, tot thermische reactoren voor waterstofbrandstoffen.

Een veelbelovende technologie in ontwikkeling voor NET's is het afvangen van koolstof met behulp van een materiaal dat MOF wordt genoemd, of metaal-organisch raamwerk. Jeffrey Lange, een senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en ook een professor in UC Berkeley's College of Chemistry, werkt al een aantal jaren met dit unieke materiaal.

V. Wat is een MOF en welke rol kan het spelen bij het verminderen van CO ₂ uitstoot?

een MOF, of metaal-organisch raamwerk, is een soort vast materiaal dat zeer poreus is en zich als een spons gedraagt, in staat om grote hoeveelheden van een specifiek gasmolecuul op te nemen, zoals kooldioxide. Ze bestaan ​​al zo'n 20 jaar, en er is de afgelopen tien jaar een explosie in onderzoek geweest naarmate wetenschappers steeds meer praktische toepassingen vinden. Het onderscheidende van MOF's is dat ze extreem hoge interne oppervlakken hebben. Slechts één gram MOF, een hoeveelheid vergelijkbaar met een suikerklontje, kan een oppervlakte hebben die groter is dan een voetbalveld. Bijgevolg, indien goed ontworpen, een kleine hoeveelheid MOF kan een enorme hoeveelheid CO . verwijderen ₂ van het uitlaatgas dat vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen.

We hebben een paar jaar geleden een toevallige ontdekking gedaan dat bepaalde MOF's koolstofdioxide kunnen opvangen via een ongekend schakelaarachtig mechanisme. We hebben het materiaal verder geoptimaliseerd voor een efficiënte verwijdering van CO ₂ uit het rookkanaal van een elektriciteitscentrale voordat het gas in de atmosfeer komt. We hebben aangetoond dat het opvangen en vrijkomen van koolstofdioxide uit de MOF kan worden bereikt met veel kleinere temperatuurveranderingen dan vereist voor andere technologieën, waardoor het een groot voordeel heeft ten opzichte van conventionele manieren om CO . af te vangen ₂ . (De geadsorbeerde CO ₂ kan vervolgens worden gebruikt in andere producten.) Deze strategie elimineert de noodzaak om hoogwaardige, stoom op hoge temperatuur uit de buurt van stroomproductie, het vermijden van een grote stijging van de elektriciteitskosten. In de loop van deze inspanningen, we hebben ook aangetoond dat varianten van de MOF's efficiënt kunnen zijn voor de verwijdering van CO ₂ van andere gasmengsels, inclusief biogas, natuurlijk gas, en zelfs rechtstreeks vanuit de lucht.

Voor directe luchtopname, MOF's zijn de beste manier die we hebben om het te doen die ik zie. Voor het koolstofafvanggedeelte van BECCS (of bio-energie met koolstofafvang en -opslag, een opkomende technologie voor negatieve emissies), waar je in wezen bomen of gewassen kweekt, ze verbranden voor brandstof, vervolgens het vastleggen en vastleggen van die CO ₂ , Ik denk dat MOF's ook het capture-gedeelte beter zouden kunnen doen dan enig ander materiaal.

V. Dat klinkt veelbelovend. Wat is de status van deze technologie nu? Wordt het commercieel gebruikt?

Een startend bedrijf genaamd Mosaic Materials (waarin ik een financieel belang heb) werd in 2014 opgericht om de commerciële productie van MOF's voor verschillende CO ₂ scheidingsprocessen. Bij Berkeley Lab leiden we een project dat wordt gefinancierd door het National Energy Technology Laboratory (NETL), waarin we samenwerken met Mosaic Materials en een Canadees ingenieursbureau genaamd Svante om een ​​proefdemonstratie uit te voeren voor een rookgas van een kolengestookte elektriciteitscentrale.

Hier, het gebruik van de MOF in een uniek roterend bedsysteem kan snelle cyclustijden van vastleggen en vrijgeven en een lager energieverbruik opleveren. uiteindelijk, het is de bedoeling dat wijdverbreide commerciële toepassing van dergelijke technologie kan leiden tot een drastische verlaging van de kosten en energie die gepaard gaan met het afvangen van koolstof, omdat het noodzakelijkerwijs over de hele wereld wordt geïmplementeerd.

Ergens anders, MOF's worden commercieel gebruikt voor de veilige opslag van andere gevaarlijke gassen. Voor CO2-afvang, Ik zou zeggen dat ze nu bijna klaar zijn voor commerciële inzet.

V. Als dat het geval is, welk verder onderzoek naar MOF's is dan nodig?

We moeten de kosten van directe luchtafvang drastisch verlagen. Het is nu erg duur om te doen. Er zijn bedrijven die het al doen - ze bouwen units met ventilatoren die lucht blazen door apparaten die poreuze materialen bevatten - maar de gebruikte materialen zijn niet erg effectief, waardoor de eenheden extreem duur in gebruik zijn. De kosten van het verwijderen van CO ₂ met een dergelijke technologie is momenteel in de orde van $ 500 tot $ 1, 000 per ton. We moeten hoogwaardigere materialen bedenken om de kosten onder de $ 100 per ton te krijgen.

Het belangrijkste probleem achter deze hoge kosten is de hoeveelheid energie die nodig is voor het regenereren van het adsorbens, dat wil zeggen:voor het vrijgeven van de CO ₂ in zuivere vorm zodat het materiaal vervolgens weer gebruikt kan worden om meer CO . af te vangen ₂ . Hier, we denken dat het coöperatieve adsorptiemechanisme dat toegankelijk is in MOF's de warmte- en vacuümvereisten voor regeneratie aanzienlijk zou kunnen verminderen.

Een andere overweging, Hoewel, is de energie die nodig is om lucht te blazen. Als er een luchtstroom binnenkomt, is dat 410 delen per miljoen CO ₂ , een van de problemen is dat de meeste materialen een kleine hoeveelheid daarvan kunnen verwijderen en de CO .-uitstoot kunnen verlagen ₂ concentratie op, zeggen, 300 dpm, 25% van de CO . opvangen ₂ . Dat is wat de capture rate wordt genoemd. En dan om meer vast te leggen, je moet in principe meer lucht door het materiaal laten stromen om het te vullen.

Maar met een opnamesnelheid van zeggen, 90% zou je de CO . kunnen verlagen ₂ concentratie tot 40 delen per miljoen met een enkele doorgang. Dat betekent dat je veel minder lucht blaast voor het verwijderen van de CO ₂ en dus energie te besparen.

Een van onze onderzoeksdoelen is het ontwikkelen van materialen met een hoge capaciteit, een hoge opnamesnelheid, snelle kinetiek voor CO ₂ adsorptie, en een lage regeneratietemperatuur, terwijl het ook de co-adsorptie van water beperkt, zodat u geen energie verspilt aan de desorptie ervan als dat niet nodig is. De kinetiek betekent hoe snel de CO ₂ wordt opgenomen door het materiaal.

Ik denk dat er een weg is om onder de $ 100 per ton CO te komen ₂ uit de lucht gehaald. Er is nog veel onderzoek nodig om daar te komen. We moeten een aantal manieren waarop de materialen zijn ontworpen echt heroverwegen en begrijpen hoe we dingen zoals delta-S (entropie) voor CO kunnen manipuleren ₂ adsorptie, zodat er minder warmte nodig is voor CO ₂ uitgave.