Разработанный исследователями из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и ExxonMobil, новый метод использует высокопористый материал, называемый металлоорганическим каркасом, или MOF, модифицированный азотсодержащими молекулами амина для улавливания CO2 и низкой температуры. пар для вымывания CO2 для других целей или для улавливания его под землей.
В экспериментах этот метод показал в шесть раз большую способность удалять CO2 из дымовых газов, чем текущая технология на основе аминов, и был очень селективным, улавливая более 90% выбрасываемого CO2. В процессе используется низкотемпературный пар для регенерации MOF для многократного использования, что означает, что для улавливания углерода требуется меньше энергии.
«Для улавливания СО2 отпарка паром – когда вы используете прямой контакт с паром для удаления СО2 – была своего рода святым Граалем для этой области. Это справедливо считается самым дешевым способом сделать это », – сказал старший научный сотрудник Джеффри Лонг, профессор химии, химической и биомолекулярной инженерии Калифорнийского университета в Беркли и старший научный сотрудник лаборатории Беркли. «Эти материалы, по крайней мере, исходя из уже проведенных нами экспериментов, выглядят очень многообещающе."
Поскольку для большей части уловленного CO2 мало рынка, электростанции, скорее всего, закачали бы большую часть его обратно в землю или изолировали бы, где в идеале он превратился бы в горную породу. Стоимость очистки выбросов должна быть уменьшена за счет государственной политики, такой как торговля квотами на выбросы углерода или налог на выбросы углерода, чтобы стимулировать улавливание и связывание СО2, что уже реализовано во многих странах.
Работа финансировалась ExxonMobil, которая работает как с группой Беркли, так и со стартапом Лонга, Mosaic Materials Inc., для разработки, масштабирования и тестирования процессов удаления CO2 из выбросов.
Лонг является старшим автором статьи, описывающей новую технику, которая будет опубликована в номере журнала Science от 24 июля.
«Мы смогли сделать первоначальное открытие и с помощью исследований и испытаний получить материал, который в лабораторных экспериментах показал потенциал не только улавливать CO2 в экстремальных условиях выбросов дымовых газов электростанциями, работающими на природном газе, но и делать это. так что без потери избирательности ", – сказал соавтор Саймон Уэстон, старший научный сотрудник и руководитель проекта ExxonMobil Research and Engineering Co. «Мы показали, что эти новые материалы можно затем регенерировать с помощью низкосортного пара для многократного использования, обеспечивая путь к жизнеспособному решению для улавливания углерода в больших масштабах."
Выбросы углекислого газа от транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, электростанций и промышленности составляют примерно 65% парниковых газов, вызывающих изменение климата, что уже привело к повышению средней температуры Земли на 1 градус.8 градусов по Фаренгейту (1 градус Цельсия) с 19 века. Климатологи предсказывают, что без уменьшения этих выбросов климатические ученые будут еще более высокими температурами, более неустойчивыми и сильными штормами, повышением уровня моря на несколько футов и, как следствие, засухами, наводнениями, пожарами, голодом и конфликтами.
«На самом деле, из тех вещей, которые, по мнению Межправительственной группы экспертов по изменению климата, мы должны делать, чтобы контролировать глобальное потепление, улавливание CO2 играет огромную роль», – сказал Лонг. "У нас нет использования большей части CO2, который нам нужен, чтобы прекратить выбросы, но мы должны это сделать."
Зачистка
Сегодня электростанции удаляют CO2 из выбросов дымовых газов, барботируя дымовые газы через органические амины в воде, которые связывают и извлекают диоксид углерода. Затем жидкость нагревается до 120-150 ° C (250-300 F) для выделения газа CO2, после чего жидкости используются повторно. Весь процесс потребляет около 30% вырабатываемой энергии.
Улавливание уловленного углекислого газа под землей стоит дополнительную, хотя и небольшую часть этой суммы.
Шесть лет назад Лонг и его группа в Центре газоразделения Калифорнийского университета в Беркли, который финансируется Университетом США.S. Министерство энергетики обнаружило химически модифицированный MOF, который легко улавливает CO2 из концентрированных выбросов дымовых газов электростанции, потенциально снижая затраты на улавливание вдвое. Они добавили молекулы диамина в MOF на основе магния, чтобы катализировать образование полимерных цепей CO2, которые затем можно было удалить, промывая влажным потоком диоксида углерода.
Поскольку MOF очень пористые, в данном случае как соты, часть веса скрепки имеет внутреннюю площадь поверхности, равную площади футбольного поля, и все это доступно для адсорбции газов.
Основным преимуществом MOF с добавлением амина является то, что амины можно настроить для улавливания CO2 в различных концентрациях, в диапазоне от 12% до 15%, типичных для выбросов угольных электростанций, до 4%, типичных для заводов, работающих на природном газе, или даже в очень больших количествах. более низкие концентрации в окружающем воздухе. Компания Mosaic Materials, соучредителем и руководителем которой является Лонг, была создана, чтобы сделать эту технику широко доступной для энергетических и промышленных предприятий.
Но поток воды и CO2 при температуре 180 ° C, необходимый для смывания захваченного CO2, в конечном итоге отгоняет молекулы диамина, сокращая срок службы материала.
В новой версии используются четыре молекулы амина – тетраамин, который намного более стабилен при высоких температурах и в присутствии пара.
«Тетраамины настолько сильно связаны в MOF, что мы можем использовать очень концентрированный поток водяного пара с нулевым CO2, и если вы попробуете это с предыдущими адсорбентами, пар начнет разрушать материал», – сказал Лонг.
Они показали, что прямой контакт с паром при температуре 110-120 ° C – немного выше точки кипения воды – хорошо помогает вымывать CO2. Пар с такой температурой легко доступен на электростанциях, работающих на природном газе, тогда как смесь CO2-вода 180 ° C, необходимая для регенерации ранее модифицированного MOF, требует нагрева, что приводит к потере энергии.
Когда Лонг, Уэстон и их коллеги впервые задумались о замене диаминов более жесткими тетрааминами, это казалось долгим делом.
Но кристаллические структуры диаминсодержащих MOF предполагают, что могут существовать способы соединения двух диаминов с образованием тетраамина при сохранении способности материала полимеризовать CO2. Когда аспирант Калифорнийского университета в Беркли Юджин Ким, первый автор статьи, химически создал MOF с добавлением тетраамина, он превзошел MOF с добавлением диамина с первой попытки.
Впоследствии исследователи изучили структуру модифицированного MOF с использованием Advanced Light Source лаборатории Беркли, обнаружив, что полимеры CO2, выстилающие поры MOF, на самом деле связаны тетрааминами, как лестница с тетрааминами в качестве ступенек. Расчеты теории функционала плотности из первых принципов с использованием суперкомпьютера Cori в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) лаборатории Беркли, вычислительные ресурсы в Molecular Foundry и ресурсы, предоставленные программой Berkeley Research Computing в кампусе, подтвердили эту замечательную структуру, которую команда Лонга изначально предполагала.
«Я занимаюсь исследованиями в Cal в течение 23 лет, и это один из тех случаев, когда у вас возникла, казалось, безумная идея, и она сразу же сработала», – сказал Лонг.
Соавторами с Лонгом, Ким и Уэстоном являются Джозеф Фальковски из ExxonMobil; Ребекка Сигельман, Генри Цзян, Александр Форс, Джеффри Мартелл, Филипп Милнер, Джеффри Реймер и Джеффри Нитон из Калифорнийского университета в Беркли; и Чон-Хун Ли из лаборатории Беркли.
Нитон и Реймер также являются старшими научными сотрудниками лаборатории Беркли.