I chimici dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy hanno dimostrato una pratica, metodo efficiente dal punto di vista energetico per catturare l'anidride carbonica (CO2) direttamente dall'aria. Riportano i loro risultati in Energia della natura . Se implementato su larga scala e accoppiato a depositi geologici, la tecnica può rafforzare il portafoglio di risposte al cambiamento climatico globale.

"Le tecnologie a emissioni negative, per la rimozione netta dei gas serra dall'atmosfera, sono ora considerate essenziali per stabilizzare il clima, " ha detto Radu Custelcean di ORNL, che ha ideato e condotto lo studio. Questa opinione fa eco alle conclusioni di un recente rapporto della National Academy of Sciences. "Il nostro approccio alla cattura diretta dell'aria fornisce la base per una tecnologia a emissioni negative sostenibile dal punto di vista energetico, " Ha aggiunto.

Il risultato si basa su uno studio di prova di principio condotto dai chimici lo scorso anno, che è stato migliorato attraverso un processo a due cicli che ha notevolmente migliorato la velocità e la capacità di assorbimento della CO2 e che ricicla completamente sia l'assorbente dell'amminoacido che il composto di guanidina.

È più economico e più facile ridurre le emissioni di CO2 alla fonte che recuperare le emissioni dall'atmosfera. Indipendentemente, La diffusione su larga scala di tecnologie come la cattura diretta dell'aria di CO2 è ora considerata necessaria per limitare l'aumento della temperatura globale media a 2 gradi C (~4 gradi Fahrenheit).

Limitare il riscaldamento a 2 gradi C richiederebbe di afferrare miliardi di tonnellate, o gigatonnellate, di CO2 dall'atmosfera. In linea di principio, gli alberi potrebbero farlo. Però, per catturare la CO2 a questa scala, "avresti bisogno di piantare alberi su una superficie grande quanto l'India, " Ha detto Custelcean. Catturare un gigaton di CO2 all'anno con scrubber industriali richiederebbe solo circa 7, 000 chilometri quadrati (~2, 700 miglia quadrate), un'area inferiore alla grande isola delle Hawaii, ha detto il co-autore Neil Williams.

Per il recente studio ORNL, Williams e Flavien Brethomé hanno mescolato gli amminoacidi con l'acqua per creare un assorbente acquoso per catturare la CO2 dall'aria. Gli amminoacidi sono più sicuri degli idrossidi di sodio o di potassio caustici o delle ammine maleodoranti, gli assorbenti utilizzati negli scrubber industriali a CO2.

Gli scienziati hanno messo il loro assorbente acquoso in un umidificatore domestico per massimizzare il contatto tra aria e assorbente e quindi accelerare l'assorbimento di CO2. Una volta assorbito nel liquido, la CO2 ha formato un sale bicarbonato.

Il collega Charles Seipp aveva progettato e sintetizzato un composto organico contenente guanidine, gruppi chimici comuni nelle proteine ​​che possono legare ioni carichi negativamente. Williams e Brethomé hanno aggiunto il composto di guanidina di Seipp alla soluzione assorbente di amminoacidi caricata contenente bicarbonato, creando un sale carbonato insolubile che è precipitato dalla soluzione e rigenerando l'aminoacido assorbente, che potrebbe essere riciclato.

Una parte fondamentale dello studio è stata un'approfondita analisi termodinamica del processo da parte di Custelcean e Michelle Kidder, che determinava quanta energia era necessaria per guidare ogni reazione chimica. L'ultimo passaggio, il rilascio di CO2 dai cristalli di carbonato in modo che possa essere immagazzinato a lungo termine, è particolarmente importante per lo sviluppo di un processo sostenibile dal punto di vista energetico. Poiché la CO2 è legata in un solido di carbonato di guanidina, può essere liberato a temperature molto più basse (80–160 gradi C, o 176-320 gradi F) rispetto ai sali inorganici utilizzati nelle attuali tecnologie di cattura, che richiedono temperature superiori a 800 gradi C (1, 472 gradi F) per rilasciare la CO2. Tuttavia, l'analisi ha mostrato che il calore necessario per rilasciare la CO2 dai cristalli di carbonato di guanidina è ancora significativo.

Per rendere l'intero processo sostenibile dal punto di vista energetico, Custelcean ha deciso di utilizzare l'energia solare concentrata. Ha acquistato un forno a energia solare, normalmente utilizzato per cuocere i cibi utilizzando uno specchio parabolico per concentrare i raggi del sole. I cristalli di carbonato di guanidina sono stati posti su un vassoio all'interno del forno solare, e la CO2 è stata liberata in appena 2 minuti, in un processo di rigenerazione del composto guanidinico per il riciclaggio.

"Utilizzare l'energia rinnovabile è importante perché, per quanto possibile, si vuole evitare di produrre più CO2 nel processo di cattura, " Ha detto Cutelcean. Questo esperimento ha utilizzato il calore solare, ma il calore disperso, come quello dei condizionatori d'aria e delle centrali elettriche, funzionerebbe altrettanto bene, Egli ha detto.

Andando avanti, i ricercatori vorrebbero progettare in modo più semplice, assorbenti più efficienti a base di guanidina e acquisire una migliore comprensione della struttura, aspetti termodinamici e meccanicistici del processo di cattura diretta dell'aria.

"Tutti i cristalli che abbiamo prodotto finora includono acqua che idrata gli anioni di carbonato, " ha spiegato Custelcean. "Quando si tenta di rilasciare la CO2, devi desorbire anche l'acqua, e questo richiede la maggior parte dell'energia. Stiamo cercando di progettare ligandi di guanidina di nuova generazione che leghino la CO2 come carbonato "secco".

Il processo su scala di banco di ORNL attualmente può catturare fino a 100 grammi di CO2 in 24 ore.

I ricercatori hanno richiesto brevetti che descrivono il processo. Per la fase successiva, cercano un partner industriale per aumentare il processo dalla demo da banco all'impianto pilota e, infine, impianto industriale completo.

Il titolo dell'articolo è "Cattura diretta dell'aria di CO2 tramite assorbimento in fase acquosa e rilascio in fase cristallina utilizzando l'energia solare concentrata".

Il DOE Office of Science ha sostenuto la ricerca.