Industrijska postrojenja, kao što su ona koja proizvode cement ili čelik, emituju velike količine ugljen-dioksida, snažnog gasa staklene bašte, ali izduvni gasovi su previše vrući za najsavremeniju tehnologiju uklanjanja ugljenika. Mnogo energije i vode je potrebno za hlađenje izduvnih tokova, što je uslov koji ima ograničeno usvajanje hvatanja CO 2 u nekim od industrija koje najviše zagađuju.
Sada, hemičari sa Univerziteta u Kaliforniji, Berkli, otkrili su da porozni materijal može da deluje kao sunđer da uhvati CO 2 na temperaturama bliskim temperaturama mnogih industrijskih izduvnih tokova. Materijal — vrsta metalno-organskog okvira, ili MOF — opisan je u radu objavljenom u časopisu Nauka.
Dominantni metod za hvatanje ugljenika iz emisija električne energije ili industrijskih postrojenja koristi tečne amine da apsorbuju CO 2 , ali reakcija funkcioniše efikasno samo na temperaturama između 40 i 60 C (100–140 F). Fabrike za proizvodnju cementa i čelika proizvode izduvne gasove koji prelaze 200 C (400 F), a neki industrijski izduvni gasovi se približavaju 500 C (930 F).
Novi materijali koji se sada testiraju, uključujući podklasu MOF-a sa dodatkom amina, razlažu se na temperaturama iznad 150 C (300 F) ili rade daleko manje efikasno.
„Neophodna je skupa infrastruktura da bi se ovi tokovi vrućeg gasa odveli i ohladili na odgovarajuće temperature da bi postojeće tehnologije za hvatanje ugljenika funkcionisale“, rekao je postdoktorski saradnik UC Berkelei Kurtis Carsch, jedan od dva koautora rada.
„Naše otkriće je spremno da promeni način na koji naučnici razmišljaju o hvatanju ugljenika. Otkrili smo da MOF može da uhvati ugljen-dioksid na neviđeno visokim temperaturama—temperaturama koje su relevantne za mnoge procese koji emituju CO2. Ovo je nešto što se ranije nije smatralo moguće za porozni materijal.“
„Naš rad se udaljava od preovlađujućeg proučavanja sistema za hvatanje ugljenika zasnovanog na aminima i pokazuje novi mehanizam za hvatanje ugljenika u MOF-u koji omogućava rad na visokim temperaturama“, rekla je diplomirani student UC Berkelei i prvi autor Rachel Rohde.
Kao i svi MOF, materijal karakteriše porozni, kristalni niz metalnih jona i organskih linkera, sa unutrašnjom površinom koja je ekvivalentna oko šest fudbalskih terena po supenoj kašiki – ogromna površina za adsorbovanje gasova.
„Kao rezultat njihove jedinstvene strukture, MOF-ovi imaju veliku gustinu lokacija na kojima možete uhvatiti i osloboditi CO 2 pod odgovarajućim uslovima“, rekao je Carsch.
U simuliranim uslovima, istraživači su pokazali da ovaj novi tip MOF-a može da uhvati vrući CO 2 u koncentracijama relevantnim za izduvne tokove fabrika za proizvodnju cementa i čelika, koje u proseku sadrže 20% do 30% CO 2 , kao i manje koncentrisane emisije iz prirodnih izvora. gasne elektrane, koje sadrže oko 4% CO 2 .
Uklanjanje CO 2 iz industrijskih emisija i emisija iz elektrana, nakon čega se ili skladišti pod zemljom ili koristi za proizvodnju goriva ili drugih hemikalija sa dodatom vrednošću, ključna je strategija za smanjenje gasova staklene bašte koji zagrevaju Zemlju i menjaju klimu na globalnom nivou.
Dok obnovljivi izvori energije već smanjuju potrebu za elektranama koje emituju CO 2, elektrane na fosilna goriva, industrijska postrojenja koja intenzivno koriste fosilna goriva teže je učiniti održivim, tako da je hvatanje dimnih gasova od suštinskog značaja.
„Moramo da počnemo da razmišljamo o emisijama CO 2 iz industrije, kao što su proizvodnja čelika i cementa, koje je teško dekarbonisati, jer je verovatno da će i dalje emitovati CO 2, čak i kada se naša energetska infrastruktura više pomera ka obnovljivi izvori energije“, rekao je Rohde.
Rohde i Carsch sprovode istraživanja u laboratoriji Džefrija Longa, profesora hemije, hemijskog i biomolekularnog inženjerstva sa Univerziteta u Berkliju i nauke o materijalima i inženjerstva. Long sprovodi istraživanje MOF-ova koji adsorbuju CO 2 više od jedne decenije.
Njegova laboratorija je 2015. godine stvorila obećavajući materijal koji je dalje razvila Longova startap kompanija, Mosaic Materials, koju je 2022. godine kupila kompanija za energetsku tehnologiju Baker Hughes. Ovaj materijal sadrži amine koji hvataju CO 2 ; varijante sledeće generacije se testiraju kao alternative vodenim aminima za hvatanje CO 2 u pilot postrojenjima i kao način za hvatanje CO 2 direktno iz ambijentalnog vazduha.
Ali ti MOF-ovi, kao i drugi porozni adsorbenti, su neefikasni na povišenim temperaturama povezanim sa mnogim dimnim gasovima, rekao je Carsch.
Adsorbenti na bazi amina, poput onih koje je razvio Long, decenijama su u fokusu istraživanja hvatanja ugljenika. MOF koji su proučavali Rohde, Carsch, Long i njihove kolege umesto toga sadrži pore ukrašene mestima cink hidrida, koji takođe vezuju CO2. Ispostavilo se da su ove lokacije iznenađujuće stabilne, rekao je Rohde.
„Molekularni metalni hidridi mogu biti reaktivni i imaju nisku stabilnost“, rekao je Rohde. „Ovaj materijal je veoma stabilan i radi nešto što se zove duboko hvatanje ugljenika, što znači da može da uhvati 90% ili više CO 2 sa kojim dolazi u kontakt, što je zaista ono što vam je potrebno za hvatanje iz tačke izvora. I ima CO 2 kapaciteta uporedivih sa MOF-ovima sa dodanim aminom, iako na mnogo višim temperaturama.“
Kada se MOF napuni sa CO 2 , CO 2 se može ukloniti, ili desorbovati, snižavanjem parcijalnog pritiska CO 2 , bilo ispiranjem drugim gasom ili stavljanjem u vakuum. MOF je tada spreman za ponovnu upotrebu za drugi ciklus adsorpcije.
„Pošto entropija favorizuje sve više i više molekula kao što je CO2 u gasnoj fazi sa povećanjem temperature, generalno se smatralo da je nemoguće uhvatiti takve molekule poroznom čvrstom materijom na temperaturama iznad 200 C“, rekao je Long.
„Ovaj rad pokazuje da se sa pravom funkcionalnošću – ovde, mesta cink hidrida – brzo, reverzibilno, hvatanje CO 2 zaista može postići na visokim temperaturama kao što je 300 C.
Rohde, Long i njihove kolege istražuju varijante ovog metal-hidridnog MOF-a da vide koje druge gasove mogu da adsorbuju, kao i modifikacije koje će omogućiti takvim materijalima da adsorbuju još više CO 2 .
„Srećni smo što smo napravili ovo otkriće, koje je otvorilo nove pravce u nauci o separaciji fokusiranih na dizajn funkcionalnih adsorbenata koji mogu da rade na visokim temperaturama“, rekao je Karš, koji je preuzeo poziciju fakulteta na Odseku za hemiju u Univerzitet Teksasa u Ostinu.
„Postoji ogroman broj načina na koje možemo podesiti metalni jon i linker u MOF-ovima, tako da bi moglo biti moguće racionalno dizajnirati takve adsorbente za druge procese odvajanja gasa na visokim temperaturama relevantne za industriju i održivost.“
Drugi autori rada su Jeffrei Reimer, profesor hemijskog i biomolekularnog inženjerstva UC Berkelei, čija je laboratorija pružila dokaze iz NMR spektroskopije koji podržavaju jedinstveni mehanizam hvatanja CO 2 od strane cink-hidridnih mesta u MOF; Craig Brovn iz Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju u Gaithersburgu, Merilend, koji je takođe pružio kritične strukturne podatke koji podržavaju predloženi mehanizam; i profesor hemije sa Univerziteta u Berkliju Martin Head-Gordon, čija je laboratorija pružila kompjutersko razumevanje ponašanja hvatanja CO 2 na visokim temperaturama.
