Jeff Brinker, membro dei Sandia National Laboratories e professore dei reggenti dell'Università del New Mexico, ha guidato il lavoro per sviluppare il memzima poco costoso in grado di liberare il fumo di carbone dall'anidride carbonica, il gas serra più diffuso. Credito:Randy Montoya
Una membrana di ispirazione biologica destinata a pulire quasi completamente l'anidride carbonica dal fumo delle centrali elettriche a carbone è stata sviluppata dagli scienziati dei Sandia National Laboratories e dell'Università del New Mexico.
L'opera brevettata, segnalato di recente in Comunicazioni sulla natura , ha aziende elettriche ed energetiche interessate che vorrebbero ridurre in modo significativo ed economico le emissioni di anidride carbonica, uno dei gas serra più diffusi, ed esplorare altri possibili usi dell'invenzione.
Il memzyme soddisfa gli standard del Dipartimento dell'Energia catturando il 90% della produzione di anidride carbonica della centrale elettrica a un costo relativamente basso di $ 40 per tonnellata.
I ricercatori definiscono la membrana un "memzima" perché agisce come un filtro ma è quasi satura di un enzima, anidrasi carbonica, sviluppato da cellule viventi nel corso di milioni di anni per liberarsi dell'anidride carbonica in modo efficiente e rapido.
"Ad oggi, togliere l'anidride carbonica dal fumo è stato proibitivo usando il denso, solido, membrane polimeriche attualmente disponibili, "dice Jeff Brinker, un compagno di Sandia, Professore reggente dell'Università del New Mexico e autore principale del documento.
"Il nostro metodo economico segue l'esempio della natura nell'uso di una membrana a base d'acqua spessa solo 18 nanometri che incorpora enzimi naturali per catturare il 90% dell'anidride carbonica rilasciata. (Un nanometro è circa 1/700 del diametro di un capello umano). Questo è quasi il 70% migliore rispetto agli attuali metodi commerciali, ed è fatto ad una frazione del costo."
Le centrali a carbone sono uno dei maggiori produttori di energia degli Stati Uniti, ma sono stati criticati da alcuni per aver inviato più anidride carbonica nell'atmosfera rispetto a qualsiasi altra forma di generazione di energia elettrica. Ancora, carbone che brucia in Cina, L'India e altri paesi significano che l'astinenza degli Stati Uniti da sola non è in grado di risolvere i problemi climatici del mondo.
Ma, dice Brinker, "forse la tecnologia lo farà".
La formazione del dispositivo inizia con un processo di essiccazione chiamato autoassemblaggio indotto dall'evaporazione, sviluppato per la prima volta a Sandia da Brinker 20 anni fa e un campo di studio a sé stante.
Progettazione della membrana liquida enzimatica e meccanismo di cattura e separazione dell'anidride carbonica. La membrana Sandia/Università del New Mexico è fabbricata mediante la formazione di mesopori di diametro di 8 nanometri. Utilizzando la deposizione di strati atomici e l'elaborazione del plasma di ossigeno, i mesopori di silice sono progettati per essere idrofobici ad eccezione di una regione profonda 18 nm sulla superficie dei pori che è idrofila. Attraverso la condensazione capillare, gli enzimi dell'anidrasi carbonica e l'acqua riempiono spontaneamente i mesopori idrofili per formare una schiera di enzimi stabilizzati con una concentrazione effettiva maggiore di 10 volte quella ottenibile in soluzione. Questi catalizzano la cattura e la dissoluzione dell'anidride carbonica sulla superficie a monte e la rigenerazione dell'anidride carbonica sulla superficie a valle. L'elevata concentrazione di enzimi e il breve percorso di diffusione massimizzano l'efficienza e il flusso di cattura. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
La procedura crea una serie compatta di nanopori di silice progettati per accogliere l'enzima anidrasi carbonica e mantenerlo stabile. Questo viene fatto in diversi passaggi. Primo, la matrice, che può essere lungo 100 nanometri, viene trattato con una tecnica chiamata deposizione di strati atomici per rendere la superficie dei nanopori avversa all'acqua o idrofoba. Questo è seguito da un trattamento al plasma di ossigeno che si sovrappone alla superficie avversa all'acqua per rendere i nanopori amanti dell'acqua o idrofili, ma solo a una profondità di 18 nanometri. Una soluzione dell'enzima e dell'acqua si riempiono spontaneamente e si stabilizzano all'interno della porzione amante dell'acqua dei nanopori. Questo crea membrane d'acqua spesse 18 nanometri, con una concentrazione di anidrasi carbonica 10 volte maggiore rispetto alle soluzioni acquose realizzate fino ad oggi.
La soluzione, a casa nella sua manica amante dell'acqua, è stabile. Ma a causa della capacità dell'enzima di dissolvere rapidamente e selettivamente l'anidride carbonica, la membrana catalitica ha la capacità di catturare la stragrande maggioranza delle molecole di anidride carbonica che la sfiorano da una nuvola crescente di fumo di carbone. Le molecole uncinate passano quindi rapidamente attraverso le membrane, guidato esclusivamente da un gradiente di pressione naturale causato dal gran numero di molecole di anidride carbonica su un lato della membrana e la loro relativa assenza dall'altro. Il processo chimico trasforma brevemente il gas in acido carbonico e poi in bicarbonato prima di uscire immediatamente a valle come gas anidride carbonica. Il gas può essere raccolto con una purezza del 99%, così puro da poter essere utilizzato dalle compagnie petrolifere per l'estrazione delle risorse. Altre molecole passano indisturbate sulla superficie della membrana. L'enzima è riutilizzabile, e poiché l'acqua serve da medium più che da attore, non necessita di sostituzione.
I nanopori si seccano per lunghi periodi di tempo a causa dell'evaporazione. Questo sarà controllato dal vapore acqueo che sale dai bagni d'acqua inferiori già installati nelle centrali elettriche per ridurre le emissioni di zolfo. E, gli enzimi danneggiati dall'uso nel tempo possono essere facilmente sostituiti.
Dice Brinker, "L'altissima concentrazione di anidrasi carbonica, insieme alla sottigliezza del canale d'acqua, provocare un flusso di anidride carbonica molto elevato attraverso la membrana. Maggiore è la concentrazione di anidrasi carbonica, maggiore è il flusso. Più sottile è la membrana, maggiore è il flusso."
La disposizione della membrana nella canna fumaria di una centrale elettrica sarebbe come quella di un convertitore catalitico in un'auto, suggerisce Brinker. Le membrane siederebbero sulla superficie interna di un tubo disposto come un nido d'ape. I fumi fluirebbero attraverso il tubo incassato nella membrana, con un flusso di gas privo di anidride carbonica all'esterno dei tubi. Variando la lunghezza e il diametro del tubo si ottimizzerebbe il processo di estrazione dell'anidride carbonica.
"Le compagnie energetiche e le utility petrolifere e del gas hanno espresso interesse per l'ottimizzazione dei filtri del gas per condizioni specifiche, "dice Susan Rempe, Sandia ricercatrice e co-autrice, che suggerì e sviluppò l'idea di inserire l'anidrasi carbonica nella soluzione acquosa per migliorare la velocità con cui l'anidride carbonica poteva essere assorbita e rilasciata dalla membrana. "L'enzima può catalizzare la dissoluzione di un milione di molecole di anidride carbonica al secondo, migliorando notevolmente la velocità del processo. Con l'ottimizzazione per settore, il memzyme potrebbe rendere la produzione di elettricità economica ed ecologica, " lei dice.
Il processo di separazione potrebbe aumentare la quantità di carburante ottenuta dal recupero potenziato del petrolio utilizzando l'anidride carbonica iniettata nei giacimenti esistenti.
Un enzima leggermente diverso, utilizzato nello stesso processo, può convertire il metano, un gas serra ancora più potente, nel metanolo più solubile per la rimozione, lei dice.
La pulizia preventiva con scrubber industriali significa che il fumo che sale sarà sufficientemente pulito da non compromettere significativamente l'efficienza della membrana, afferma Ying-Bing Jiang, professore dell'Università del New Mexico e coautore di articoli, che ha originato e sviluppato l'idea di utilizzare membrane acquose basate sui processi del corpo umano per separare l'anidride carbonica. Le membrane hanno funzionato in modo efficiente in ambienti di laboratorio per mesi.
La procedura potrebbe anche sequestrare l'anidride carbonica su un veicolo spaziale, citano gli autori, perché le membrane operano a temperatura ambiente e sono guidate esclusivamente da gradienti chimici.
