Прямой захват воздуха был определен как один из « семи химических разделений, которые изменят мир ». Это связано с тем, что, хотя углекислый газ является основным фактором изменения климата (ежегодно мы выбрасываем в атмосферу около 40 миллиардов тонн), отделение углекислого газа от воздуха является очень сложной задачей из-за его низкой концентрации (около 0,04%).
Профессор Ян Меткалф, заведующий кафедрой новых технологий Королевской инженерной академии в Школе инженерии Ньюкаслского университета (Великобритания) и ведущий исследователь, утверждает: «Процессы разделения разбавленных компонентов являются наиболее сложными для выполнения по двум основным причинам. Во-первых, из-за низкой концентрации кинетика (скорость) химических реакций, направленных на удаление разбавленного компонента, очень медленная. Во-вторых, концентрирование разбавленного компонента требует больших затрат энергии».
Это две проблемы, которые исследователи из Ньюкасла (совместно с коллегами из Университета Виктории в Веллингтоне, Новая Зеландия, Имперского колледжа Лондона, Великобритания, Оксфордского университета, Великобритания, Университета Стратклайда, Великобритания и UCL, Великобритания) намеревались решить с помощью своего нового мембранного процесса. Используя естественные различия влажности в качестве движущей силы для откачки углекислого газа из воздуха, команда преодолела энергетическую проблему. Присутствие воды также ускорило транспортировку углекислого газа через мембрану, решив кинетическую проблему.
Работа опубликована в журнале Nature Energy, а доктор Грег А. Матч, научный сотрудник Королевской инженерной академии в Школе инженерии Ньюкаслского университета, Великобритания, поясняет: «Прямой захват воздуха станет ключевым компонентом энергетической системы будущего. Он понадобится для улавливания выбросов от мобильных, распределенных источников углекислого газа, которые невозможно легко декарбонизировать другими способами.
«В нашей работе мы демонстрируем первую синтетическую мембрану, способную улавливать углекислый газ из воздуха и увеличивать его концентрацию без традиционного подвода энергии, такого как тепло или давление. Я думаю, полезной аналогией может быть водяное колесо на мукомольной мельнице. В то время как мельница использует нисходящий транспорт воды для обеспечения помола, мы используем ее для откачки углекислого газа из воздуха».
Процессы разделения
Процессы разделения лежат в основе большинства аспектов современной жизни. От еды, которую мы едим, до лекарств, которые мы принимаем, и топлива или аккумуляторов в наших автомобилях, большинство продуктов, которые мы используем, прошли через несколько процессов разделения. Более того, процессы разделения важны для минимизации отходов и необходимости в восстановлении окружающей среды , например, прямого улавливания углекислого газа из воздуха.
Однако в мире, движущемся к круговой экономике, процессы разделения станут еще более важными. Здесь прямой захват воздуха может использоваться для получения углекислого газа в качестве сырья для производства многих углеводородных продуктов, которые мы используем сегодня, но в углеродно-нейтральном или даже углеродно-отрицательном цикле.
Самое главное, что наряду с переходом на возобновляемые источники энергии и традиционным улавливанием углерода из точечных источников, таких как электростанции , для достижения климатических целей, таких как цель в 1,5 °C, установленная Парижским соглашением, необходимо обеспечить прямое улавливание углерода из воздуха .
Мембрана, работающая под воздействием влажности
Доктор Эвангелос Папаиоанну, старший преподаватель Школы инженерии Ньюкаслского университета, Великобритания, поясняет: «В отличие от типичной работы мембраны и как описано в исследовательской работе, команда протестировала новую проницаемую для углекислого газа мембрану с различными перепадами влажности, приложенными к ней. Когда влажность на выходной стороне мембраны была выше, мембрана спонтанно перекачивала углекислый газ в этот выходной поток».
Используя рентгеновскую микрокомпьютерную томографию совместно с сотрудниками UCL и Оксфордского университета, команда смогла точно охарактеризовать структуру мембраны. Это позволило им предоставить надежные сравнения производительности с другими современными мембранами.
Ключевым аспектом работы было моделирование процессов, происходящих в мембране на молекулярном уровне. Используя расчеты теории функционала плотности с сотрудником, связанным как с Университетом Виктории в Веллингтоне, так и с Имперским колледжем Лондона, команда идентифицировала «носители» внутри мембраны.
Переносчик уникальным образом переносит как углекислый газ, так и воду, но ничего больше. Для высвобождения углекислого газа из мембраны требуется вода, а для высвобождения воды требуется углекислый газ. Благодаря этому энергия от разницы в влажности может быть использована для перемещения углекислого газа через мембрану из низкой концентрации в более высокую.
Профессор Меткалф добавляет: «Это была настоящая командная работа на протяжении нескольких лет. Мы очень благодарны за вклад наших коллег, а также за поддержку Королевской инженерной академии и Научно-исследовательского совета по инженерным и физическим наукам».
