Credito:CC0 Dominio Pubblico
Un grande progresso nella tecnologia di cattura del carbonio potrebbe fornire un modo efficiente ed economico per le centrali elettriche a gas naturale per rimuovere l'anidride carbonica dalle loro emissioni di fumi, un passo necessario nella riduzione delle emissioni di gas serra per rallentare il riscaldamento globale e il cambiamento climatico.
Sviluppato dai ricercatori dell'Università della California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory e ExxonMobil, la nuova tecnica utilizza un materiale altamente poroso chiamato struttura metallo-organica, o MOF, modificato con molecole di ammina contenenti azoto per catturare la CO 2 e vapore a bassa temperatura per eliminare la CO 2 per altri usi o per sequestrarlo nel sottosuolo.
Negli esperimenti, la tecnica ha mostrato una capacità sei volte maggiore di rimuovere la CO 2 dai fumi rispetto all'attuale tecnologia a base di ammine, ed era altamente selettivo, catturando più del 90% della CO 2 emesso. Il processo utilizza vapore a bassa temperatura per rigenerare il MOF per un uso ripetuto, il che significa che è necessaria meno energia per la cattura del carbonio.
"Per CO 2 catturare, strippaggio a vapore—dove si utilizza il contatto diretto con il vapore per eliminare la CO 2 -è stato una sorta di santo graal per il campo. È giustamente visto come il modo più economico per farlo, " ha affermato il ricercatore senior Jeffrey Long, Professore di chimica e di ingegneria chimica e biomolecolare alla UC Berkeley e scienziato senior della facoltà al Berkeley Lab. "Questi materiali, almeno dagli esperimenti che abbiamo fatto finora, sembra molto promettente."
Perché c'è poco mercato per la maggior parte della CO . catturata 2 , le centrali elettriche potrebbero pomparne la maggior parte nel terreno, o sequestrarlo, dove idealmente si trasformerebbe in roccia. Il costo dell'abbattimento delle emissioni dovrebbe essere agevolato dalle politiche del governo, come il commercio del carbonio o una tassa sul carbonio, incentivare la CO 2 cattura e sequestro, qualcosa che molti paesi hanno già implementato.
Il lavoro è stato finanziato da ExxonMobil, che sta lavorando sia con il gruppo di Berkeley che con la start-up di Long, Mosaic Materials Inc., sviluppare, scalare e testare i processi per lo stripping di CO 2 dalle emissioni.
Long è l'autore senior di un articolo che descrive la nuova tecnica che apparirà nel numero del 24 luglio della rivista Scienza .
"Siamo stati in grado di prendere la scoperta iniziale e, attraverso la ricerca e la sperimentazione, derivare un materiale che negli esperimenti di laboratorio ha mostrato il potenziale non solo di catturare CO 2 nelle condizioni estreme presenti nelle emissioni di gas di scarico delle centrali elettriche a gas naturale, ma per farlo senza perdita di selettività, " ha detto il co-autore Simon Weston, socio di ricerca senior e capo progetto presso ExxonMobil Research and Engineering Co. "Abbiamo dimostrato che questi nuovi materiali possono quindi essere rigenerati con vapore di bassa qualità per un uso ripetuto, fornendo un percorso per una soluzione praticabile per la cattura del carbonio su larga scala".
Emissioni di anidride carbonica dei veicoli a combustione di combustibili fossili, gli impianti di produzione di elettricità e l'industria rappresentano circa il 65% dei gas serra che determinano il cambiamento climatico, che ha già aumentato la temperatura media della Terra di 1,8 gradi Fahrenheit (1 grado Celsius) dal 19° secolo. Senza una diminuzione di queste emissioni, gli scienziati del clima prevedono temperature sempre più calde, tempeste più irregolari e violente, diversi piedi di innalzamento del livello del mare e conseguenti siccità, inondazioni, incendi, carestia e conflitto.
"In realtà, del tipo di cose che il Gruppo intergovernativo di esperti scientifici sui cambiamenti climatici dice che dobbiamo fare per controllare il riscaldamento globale, CO 2 la cattura è una parte enorme, " Long ha detto. "Non abbiamo un uso per la maggior parte del CO 2 che dobbiamo smettere di emettere, ma dobbiamo farlo".
spogliarello
Striscia di CO . per centrali elettriche 2 dalle emissioni dei fumi oggi dovute al gorgogliamento dei gas di combustione attraverso le ammine organiche nell'acqua, che legano ed estraggono l'anidride carbonica. Il liquido viene quindi riscaldato a 120-150 C (250-300 F) per rilasciare la CO 2 gas, dopodiché i liquidi vengono riutilizzati. L'intero processo consuma circa il 30% della potenza generata. Sequestro della CO . catturata 2 metropolitana costa un supplemento, sebbene piccolo, frazione di quello.
Sei anni fa, Long e il suo gruppo nel Centro per le separazioni di gas dell'Università di Berkeley, che è finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, scoperto un MOF chimicamente modificato che cattura facilmente CO 2 da emissioni di fumi concentrate di centrali elettriche, potenzialmente dimezzando il costo di cattura. Hanno aggiunto molecole di diammine a un MOF a base di magnesio per catalizzare la formazione di catene polimeriche di CO 2 che potrebbe quindi essere spurgato sciacquando con un flusso umido di anidride carbonica.
Poiché i MOF sono molto porosi, in questo caso come un nido d'ape, una quantità il peso di una graffetta ha una superficie interna pari a quella di un campo di calcio, tutti disponibili per l'adsorbimento di gas.
Uno dei principali vantaggi dei MOF con aggiunta di ammina è che le ammine possono essere modificate per catturare CO 2 a diverse concentrazioni, che vanno dal 12% al 15% tipico delle emissioni degli impianti a carbone al 4% tipico degli impianti a gas naturale, o anche le concentrazioni molto più basse nell'aria ambiente. Materiali del mosaico, che Long ha co-fondato e diretto, è stato creato per rendere questa tecnica ampiamente disponibile per gli impianti energetici e industriali.
Ma il flusso di acqua e CO . a 180 °C 2 necessario per scaricare la CO . catturata 2 alla fine allontana le molecole di diammina, accorciare la vita del materiale. La nuova versione utilizza quattro molecole di ammina, una tetraammina, che è molto più stabile alle alte temperature e in presenza di vapore.
"Le tetraammine sono così fortemente legate all'interno del MOF che possiamo usare un flusso molto concentrato di vapore acqueo con zero CO 2 , e se lo hai provato con gli adsorbenti precedenti, il vapore inizierebbe a distruggere il materiale, "Ha detto a lungo.
Hanno dimostrato che il contatto diretto con il vapore a 110-120 C, un po' al di sopra del punto di ebollizione dell'acqua, funziona bene per eliminare la CO 2 . Il vapore a quella temperatura è facilmente disponibile nelle centrali elettriche a gas naturale, considerando che i 180 C CO 2 -miscela d'acqua necessaria per rigenerare il precedente MOF modificato che necessitava di riscaldamento, che spreca energia.
quando a lungo, Weston e i loro colleghi hanno inizialmente pensato di sostituire le diammine con tetraammine più dure, sembrava un campo lungo. Ma le strutture cristalline dei MOF contenenti diammine hanno suggerito che potrebbero esserci modi per collegare due diammine per formare una tetraammina preservando la capacità del materiale di polimerizzare la CO 2 . Quando lo studente laureato dell'UC Berkeley, Eugene Kim, il primo autore dell'articolo, creato chimicamente il MOF con aggiunta di tetraammina, ha superato il MOF con aggiunta di diammina al primo tentativo.
I ricercatori hanno successivamente studiato la struttura del MOF modificato utilizzando Advanced Light Source di Berkeley Lab, rivelando che la CO 2 i polimeri che rivestono i pori del MOF sono in realtà collegati dalle tetraammine, come una scala con tetraammine come pioli. Calcoli della teoria del funzionale della densità dei primi principi utilizzando il supercomputer Cori nel National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab, le risorse di calcolo della Molecular Foundry e le risorse fornite dal programma Berkeley Research Computing del campus hanno confermato questa straordinaria struttura che il team di Long aveva inizialmente immaginato.
"Faccio ricerca al Cal da 23 anni ormai, e questa è una di quelle volte in cui hai quella che sembrava un'idea folle, e ha funzionato subito, "Ha detto a lungo.
Co-autori con Long, Kim e Weston sono Joseph Falkowski della ExxonMobil; Rebecca Siegelman, Henry Jiang, Alessandro Forse, Jeffrey Martello, Filippo Milner, Jeffrey Reimer e Jeffrey Neaton dell'Università di Berkeley; e Jung-Hoon Lee del Berkeley Lab. Neaton e Reimer sono anche scienziati senior della facoltà del Berkeley Lab.