Поскольку углекислый газ продолжает накапливаться в атмосфере Земли, исследовательские группы по всему миру потратили годы на поиски способов эффективного удаления газа из воздуха. Между тем, «поглотителем» углекислого газа из атмосферы номер один в мире является океан, который поглощает от 30% до 40% всего газа, образующегося в результате деятельности человека.

В последнее время возможность удаления двуокиси углерода непосредственно из океанской воды стала еще одной многообещающей возможностью для снижения выбросов CO 2 , которая потенциально может когда-нибудь даже привести к общему чистому отрицательному выбросу. Но, как и в случае с системами захвата воздуха, эта идея еще не нашла широкого применения, хотя несколько компаний пытаются войти в эту область.

Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института говорит, что они, возможно, нашли ключ к действительно эффективному и недорогому механизму удаления. Результаты были опубликованы на этой неделе в журнале Energy & Environmental Science в статье профессоров Массачусетского технологического института Т. Алана Хаттона и Крипы Варанаси, постдока Сеони Ким и аспирантов Майкла Ницше, Саймона Руфера и Джека Лейка.

В существующих методах удаления диоксида углерода из морской воды подается напряжение на пакет мембран для подкисления исходного потока путем разделения воды. Это преобразует бикарбонаты в воде в молекулы CO 2 , которые затем можно удалить в вакууме. Хаттон, профессор химического машиностроения Ральфа Ландау, отмечает, что мембраны дороги, а химические вещества необходимы для управления общими электродными реакциями на обоих концах стека, что еще больше увеличивает стоимость и сложность процессов. «Мы хотели избежать необходимости вводить химикаты в анодные и катодные полуэлементы и избегать использования мембран, если это вообще возможно», — говорит он.

Команда придумала обратимый процесс, состоящий из безмембранных электрохимических ячеек. Реактивные электроды используются для высвобождения протонов в морскую воду, подаваемую в клетки, что приводит к выделению растворенного углекислого газа из воды. Процесс цикличен: сначала вода подкисляется, чтобы преобразовать растворенные неорганические бикарбонаты в молекулярный диоксид углерода, который собирается в виде газа под вакуумом. Затем вода подается во второй набор ячеек с обратным напряжением, чтобы восстановить протоны и превратить кислую воду обратно в щелочную, прежде чем выпустить ее обратно в море. Периодически роли двух ячеек меняются местами, когда один набор электродов истощается от протонов (во время подкисления), а другой регенерируется во время подщелачивания.

Это удаление углекислого газа и повторное введение щелочной воды может постепенно обратить вспять, по крайней мере локально, закисление океанов, вызванное накоплением углекислого газа, что, в свою очередь, угрожает коралловым рифам и моллюскам, говорит Варанаси, профессор машиностроение. По их словам, повторная закачка щелочной воды может осуществляться через рассредоточенные выпуски или вдали от берега, чтобы избежать локального всплеска щелочности, который может нарушить экосистемы.

«Мы не сможем справиться с выбросами всей планеты», — говорит Варанаси. Но повторная закачка может быть сделана в некоторых случаях в таких местах, как рыбные фермы, которые имеют тенденцию подкислять воду, так что это может помочь противостоять этому эффекту.

Как только углекислый газ удален из воды, его все равно необходимо утилизировать, как и в случае других процессов удаления углерода. Например, он может быть захоронен в глубоких геологических формациях под морским дном или может быть химически преобразован в соединение, подобное этанолу, которое можно использовать в качестве транспортного топлива, или в другие специальные химические вещества. «Конечно, вы можете рассмотреть возможность использования уловленного CO 2 в качестве сырья для производства химикатов или материалов, но вы не сможете использовать весь его в качестве сырья», — говорит Хаттон. «У вас закончатся рынки сбыта для всех продуктов, которые вы производите, поэтому, несмотря ни на что, значительное количество уловленного CO 2 необходимо будет захоронить под землей».

По крайней мере, изначально идея заключалась в том, чтобы соединить такие системы с существующей или планируемой инфраструктурой, которая уже перерабатывает морскую воду, например, с опреснительными установками. «Эта система является масштабируемой, поэтому мы можем потенциально интегрировать ее в существующие процессы, которые уже обрабатывают океанскую воду или контактируют с океанской водой», — говорит Варанаси. Там удаление углекислого газа может быть простым дополнением к существующим процессам, которые уже возвращают огромное количество воды в море, и для этого не потребуются расходные материалы, такие как химические добавки или мембраны.

«С опреснительными установками вы уже перекачиваете всю воду, так почему бы не разместиться там вместе?» говорит Варанаси. «Куча капитальных затрат, связанных с тем, как вы перемещаете воду, и получением разрешений, обо всем этом уже можно было позаботиться».

Система также может быть внедрена на судах, которые будут перерабатывать воду во время движения, чтобы помочь уменьшить значительный вклад движения судов в общие выбросы. Уже существуют международные предписания по снижению выбросов от судов, и «это могло бы помочь судоходным компаниям компенсировать часть своих выбросов и превратить корабли в океанские скрубберы», — говорит Варанаси.

Система также может быть внедрена в таких местах, как морские буровые платформы или на аквакультурных фермах. В конечном итоге это может привести к развертыванию автономных установок по удалению углерода, распределенных по всему миру.

По словам Хаттона, этот процесс может быть более эффективным, чем системы улавливания воздуха, потому что концентрация углекислого газа в морской воде более чем в 100 раз выше, чем в воздухе. В системах прямого улавливания воздуха необходимо сначала улавливать и концентрировать газ перед его регенерацией. «Однако океаны — большие поглотители углерода, так что этап захвата уже сделан за вас», — говорит он. «Нет шага захвата, только освобождение». Это означает, что объемы материала, которые необходимо обрабатывать, намного меньше, что потенциально упрощает весь процесс и снижает требования к занимаемой площади.

Исследования продолжаются с одной целью — найти альтернативу нынешнему этапу, который требует вакуума для удаления отделенного углекислого газа из воды. Другой потребностью является определение операционных стратегий для предотвращения осаждения минералов, которые могут загрязнять электроды в ячейке подщелачивания, что является неотъемлемой проблемой, которая снижает общую эффективность всех описанных подходов. Хаттон отмечает, что по этим вопросам был достигнут значительный прогресс, но еще слишком рано о них сообщать. Команда ожидает, что система может быть готова к практическому демонстрационному проекту примерно через два года.

«Проблема двуокиси углерода — определяющая проблема нашей жизни, нашего существования», — говорит Варанаси. «Так ясно, что нам нужна вся помощь, которую мы можем получить».