U uglu laboratorije Kelsei Hatzell nalazi se mala tegla napunjena materijalom koji ima sposobnost daleko iznad onoga što bi njegov neopisiv izgled sugerisao: način da se uhvati i oslobodi ugljen-dioksid iz atmosfere jednostavnom promenom okolne vlažnosti.
Materijal bi mogao da smanji troškove energije povezane sa takozvanim sistemima direktnog zahvatanja vazduha, koji se konvencionalno oslanjaju na energetski intenzivne promene temperature ili pritiska da bi se prebacili između hvatanja i oslobađanja ugljenika. Umesto toga, oslanjajući se na vlažnost, materijal bi mogao doneti poboljšanja energetske efikasnosti preko pet puta u odnosu na trenutne tehnologije. Istraživači izveštavaju o svojim nalazima u časopisu Pisma o nauci o životnoj sredini i tehnologiji.
Sistemi za direktno hvatanje vazduha najavljeni su kao način borbe protiv klimatskih promena izvlačenjem ugljen-dioksida iz vazduha da bi se ili trajno uskladištio pod zemljom ili pretvorio u koristan proizvod.
„Došlo je do eksplozije interesovanja za sisteme direktnog zahvatanja vazduha, jer oni nisu samo način da se smanje emisije ugljenika, već i da se one zapravo uklone iz atmosfere“, rekao je vođa istraživanja Hatzel, docent mašinskog i vazduhoplovnog inženjerstva i Andlinger centar za energiju i životnu sredinu, ukazujući na nedavne napore američkog Ministarstva energetike u iznosu od 3,5 milijardi dolara da se razviju četiri regionalna čvorišta za direktno hvatanje vazduha širom zemlje.
Uprkos svom obećanju, direktno hvatanje vazduha je pod lupom jer zahteva više energije za obavljanje od skoro bilo koje druge primene hvatanja ugljenika. To je zato što je koncentracija ugljen-dioksida u ambijentalnom vazduhu izuzetno razređena, posebno u poređenju sa otpadnim gasom iz emitera sa tačkastim izvorom, kao što je elektrana na ugalj.
Jedan od energetski najintenzivnijih koraka procesa je regeneracija. Nakon hvatanja ugljen-dioksida iz ambijentalnog vazduha, konvencionalni sistemi zahtevaju promene toplote i/ili pritiska da bi se gas oslobodio u skladište tako da sistem može biti spreman da uhvati više ugljenika. U jednom pristupu koji koristi tečni rastvarač, korak regeneracije zahteva zagrevanje materijala za hvatanje ugljenika do temperatura u rasponu od 300° do 900°C.
Nasuprot tome, prethodna istraživanja su pokazala da regeneracija materijala za hvatanje ugljenika sa vlažnošću zahteva samo dodavanje ili uklanjanje vodene pare. Takav pristup dramatično smanjuje energiju potrebnu za uklanjanje tone ugljen-dioksida, sa do 4,1 gigadžula korišćenjem konvencionalnih tehnika na samo 0,7 gigadžula – što je ušteda energije po toni veća od energije koju prosečno američko domaćinstvo koristi mesečno.
Da bi postigao pristup zasnovan na vlažnosti, tim sa Prinstona je modifikovao postojeći tip jonoizmenjivačke smole, materijala koji može da trguje naelektrisanim česticama sa okolnim okruženjem. Ove smole se već koriste u različite komercijalne svrhe, što ih čini široko dostupnim i jeftinim.
Štaviše, površine ovih smola su prošarane bezbrojnim sitnim porama, prečnika samo 6 nanometara. Proces hvatanja ugljenika odvija se unutar ovih šupljina. Pri niskoj vlažnosti, u porama se dešava niz hemijskih reakcija koje im omogućavaju da uhvate ugljen-dioksid iz struje ulaznog vazduha. Pri visokoj vlažnosti dešava se suprotno: materijal oslobađa svoj vezani ugljenik i priprema se za još jedan krug hvatanja.
„Možemo jednostavno da promenimo količinu vodene pare u sistemu da bismo regenerisali ceo materijal“, rekao je prvi autor Iaguang Zhu, postdoktorski istraživač u Andlinger centru za energiju i životnu sredinu. „Na ovaj način možemo minimizirati energiju koju ulažemo u proces.“
Istraživači su ispitali načine za kontrolu i modifikaciju materijala na nano-skali kako bi se omogućilo efikasnije hvatanje ugljenika sa vlagom. Otkrili su da punjenje pora sa visoko bazičnim, negativno naelektrisanim jonima, kao što su fosfat i karbonat, daje najveći kapacitet za hvatanje ugljenika.
Tim je takođe istražio fizičku strukturu jonoizmenjivačke smole kako bi informisao buduće strategije dizajna za hvatanje ugljenika na bazi vlage. Na primer, otkrili su da iako su male pore bile važne za određivanje ukupne količine ugljen-dioksida koja bi mogla da se uhvati, one su imale mali uticaj na stvarnu brzinu hvatanja. I kapacitet i brzina hvatanja su važna razmatranja za projektovanje i povećanje postrojenja kako bi se zadovoljile buduće potrebe za smanjenjem emisija.
Umesto toga, materijali koji imaju veće pore pored malih mogli bi da hvataju i oslobađaju ugljenik mnogo većom brzinom, pošto su veće pore radile na brzom transportu vode u materijal i iz njega.
„Male mikropore – široke samo nekoliko nanometara – veoma su važne za reverzibilnu reakciju hvatanja ugljenika“, rekao je Žu. „Ali otkrili smo da su veće pore važnije za transport vode i da su imale snažan uticaj na brzinu hvatanja ugljenika.“
Istraživači nastavljaju da istražuju fundamentalnu nauku koja stoji iza sposobnosti materijala da uhvati i oslobodi kao odgovor na promene vlažnosti, ali su primetili da niski troškovi energije ove tehnologije u kombinaciji sa njenim jeftinim materijalima čine je obećavajućim kandidatom za buduće povećanje.
Ako se poveća, pristup regeneracije zasnovan na vlažnosti takođe može predstavljati zanimljive mogućnosti da se iskoriste fluktuacije vlage koje se prirodno javljaju u okruženju kako bi se dodatno smanjili troškovi energije. Koautor Ostin But, diplomirani student hemijskog i biološkog inženjerstva, rekao je da bi lokacije koje rutinski osciliraju između suvih i vlažnih uslova mogle biti idealne za ovu vrstu tehnologije.
„Mogli biste zamisliti da biste na mestu sa dnevnim ciklusom vlažnosti teoretski mogli da upravljate ovim procesom sa malo ili bez spoljnog unosa energije“, rekao je But.
I dok je tehnologija hvatanja ugljenika prirodno da je pogodna za aplikacije u direktnom hvatanju vazduha, Hatzell je rekla da bi osnovna nauka mogla imati uticaja u nizu aplikacija, uključujući i one u skladištenju energije – jednoj od ključnih istraživačkih oblasti njene grupe.
„Fumentalna nauka bi se mogla primeniti na niz različitih problema separacije u hemijskoj industriji“, rekao je Hatzel. „Rad se na kraju odnosi na podešavanje hemije materijala kako bi se smanjila energija koja vam je potrebna za dati proces, a ta vrsta informacija ima veoma široku privlačnost.“
