Un nuovo modo per rimuovere l'anidride carbonica da un flusso d'aria potrebbe fornire uno strumento significativo nella battaglia contro il cambiamento climatico. Il nuovo sistema può lavorare sul gas praticamente a qualsiasi livello di concentrazione, anche fino alle circa 400 parti per milione che si trovano attualmente nell'atmosfera.

La maggior parte dei metodi per rimuovere l'anidride carbonica da un flusso di gas richiede concentrazioni più elevate, come quelli riscontrati nelle emissioni dei fumi delle centrali elettriche a combustibili fossili. Sono state sviluppate alcune varianti che possono funzionare con le basse concentrazioni presenti nell'aria, ma il nuovo metodo è significativamente meno energivoro e costoso, dicono i ricercatori.

La tecnica, basato sul passaggio dell'aria attraverso una pila di piastre elettrochimiche cariche, è descritto in un nuovo articolo sulla rivista Scienze energetiche e ambientali , dal postdoc del MIT Sahag Voskian, che ha sviluppato il lavoro durante il suo dottorato di ricerca, e T. Alan Hatton, il Ralph Landau Professore di Ingegneria Chimica.

Il dispositivo è essenzialmente un grande, batteria specializzata che assorbe l'anidride carbonica dall'aria (o altro flusso di gas) passando sui suoi elettrodi mentre viene caricata, e quindi rilascia il gas mentre viene scaricato. In operazione, il dispositivo si alternerebbe semplicemente tra carica e scarica, con aria fresca o gas di alimentazione che viene soffiato attraverso il sistema durante il ciclo di carica, e poi il puro, anidride carbonica concentrata che viene espulsa durante lo scarico.

Mentre la batteria si carica, una reazione elettrochimica avviene sulla superficie di ciascuno di una pila di elettrodi. Questi sono rivestiti con un composto chiamato poliantrachinone, che è composto con nanotubi di carbonio. Gli elettrodi hanno un'affinità naturale per l'anidride carbonica e reagiscono prontamente con le sue molecole nel flusso d'aria o nel gas di alimentazione, anche quando è presente a concentrazioni molto basse. La reazione inversa avviene quando la batteria si scarica, durante la quale il dispositivo può fornire parte della potenza necessaria per l'intero sistema, e nel processo espelle un flusso di anidride carbonica pura. L'intero sistema funziona a temperatura ambiente e pressione dell'aria normale.

"Il più grande vantaggio di questa tecnologia rispetto alla maggior parte delle altre tecnologie di cattura o assorbimento del carbonio è la natura binaria dell'affinità dell'adsorbente con l'anidride carbonica, " spiega Voskian. In altre parole, il materiale dell'elettrodo, per sua natura, "ha un'affinità elevata o nessuna affinità di sorta, " a seconda dello stato di carica o scarica della batteria. Altre reazioni utilizzate per la cattura del carbonio richiedono fasi di lavorazione chimica intermedie o l'apporto di energia significativa come calore, o differenze di pressione.

"Questa affinità binaria consente la cattura dell'anidride carbonica da qualsiasi concentrazione, di cui 400 parti per milione, e ne consente il rilascio in qualsiasi flusso portante, incluso il 100% di CO ₂ , " dice Voskian. Cioè, come qualsiasi gas scorre attraverso la pila di queste celle elettrochimiche piatte, durante la fase di rilascio l'anidride carbonica catturata verrà trasportata con essa. Per esempio, se il prodotto finale desiderato è anidride carbonica pura da utilizzare nella carbonatazione delle bevande, quindi un flusso di gas puro può essere soffiato attraverso le piastre. Il gas catturato viene quindi rilasciato dalle piastre e si unisce al flusso.

In alcuni impianti di imbottigliamento di bibite, il combustibile fossile viene bruciato per generare l'anidride carbonica necessaria per dare alle bevande il loro frizzante. Allo stesso modo, alcuni agricoltori bruciano gas naturale per produrre anidride carbonica per alimentare le loro piante nelle serre. Il nuovo sistema potrebbe eliminare la necessità di combustibili fossili in queste applicazioni, e nel processo stiamo effettivamente eliminando il gas serra dall'aria, dice Voskian. In alternativa, il flusso di anidride carbonica pura potrebbe essere compresso e iniettato nel sottosuolo per lo smaltimento a lungo termine, o addirittura trasformato in combustibile attraverso una serie di processi chimici ed elettrochimici.

Il processo utilizzato da questo sistema per catturare e rilasciare anidride carbonica "è rivoluzionario", afferma. "Tutto questo avviene in condizioni ambientali:non c'è bisogno di termiche, pressione, o input chimico. Sono solo questi fogli molto sottili, con entrambe le superfici attive, che può essere accatastato in una scatola e collegato a una fonte di energia elettrica."

"Nei miei laboratori, abbiamo cercato di sviluppare nuove tecnologie per affrontare una serie di questioni ambientali che evitano la necessità di fonti di energia termica, variazioni della pressione del sistema, o aggiunta di prodotti chimici per completare i cicli di separazione e rilascio, " dice Hatton. "Questa tecnologia di cattura dell'anidride carbonica è una chiara dimostrazione della potenza degli approcci elettrochimici che richiedono solo piccole oscillazioni di tensione per guidare le separazioni".

In un impianto funzionante, ad esempio, in una centrale elettrica in cui il gas di scarico viene prodotto continuamente, due serie di tali pile di celle elettrochimiche potrebbero essere installate fianco a fianco per funzionare in parallelo, con i gas di scarico diretti prima verso un set per la cattura del carbonio, quindi deviato al secondo set mentre il primo set entra nel suo ciclo di scarico. Alternando avanti e indietro, il sistema potrebbe sempre catturare e scaricare il gas. Nel laboratorio, il team ha dimostrato che il sistema può resistere ad almeno 7, 000 cicli di carica-scarica, con una perdita di efficienza del 30% in quel periodo. I ricercatori stimano di poterlo facilmente migliorare a 20, 000 a 50, 000 cicli.

Gli elettrodi stessi possono essere prodotti con metodi di lavorazione chimica standard. Mentre oggi questo viene fatto in un ambiente di laboratorio, può essere adattato in modo che alla fine possano essere realizzati in grandi quantità attraverso un processo di produzione roll-to-roll simile a una macchina da stampa per giornali, dice Voskian. "Abbiamo sviluppato tecniche molto convenienti, " lui dice, stimando che potrebbe essere prodotto per qualcosa come decine di dollari per metro quadrato di elettrodo.

Rispetto ad altre tecnologie di cattura del carbonio esistenti, questo sistema è abbastanza efficiente dal punto di vista energetico, utilizzando circa un gigajoule di energia per tonnellata di anidride carbonica catturata, costantemente. Altri metodi esistenti hanno consumi energetici che variano da uno a 10 gigajoule per tonnellata, a seconda della concentrazione di anidride carbonica in ingresso, dice Voskian.

I ricercatori hanno creato una società chiamata Verdox per commercializzare il processo, e speriamo di sviluppare un impianto su scala pilota entro i prossimi anni, lui dice. E il sistema è molto facile da scalare, dice:"Se vuoi più capacità, hai solo bisogno di fare più elettrodi."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.