Cattura l’anidride carbonica e convertila in modo efficiente in termini energetici

Questi risultati, che si basano su un singolo processo elettrochimico, potrebbero aiutare a ridurre le emissioni di industrie difficili da decarbonizzare, come l’acciaio e il cemento.

Negli sforzi per ridurre le emissioni globali di gas serra in tutto il mondo, gli scienziati di Istituto di Tecnologia del Massachussetts Si concentrano sulle tecnologie di cattura del carbonio per decarbonizzare le emissioni industriali più impegnative.

È particolarmente difficile decarbonizzare settori come quello dell’acciaio, del cemento e della produzione chimica a causa dell’uso intrinseco di carbonio e combustibili fossili nei loro processi. Se si riuscissero a sviluppare tecnologie per catturare le emissioni di carbonio e riutilizzarle nel processo di produzione, ciò potrebbe portare a una significativa riduzione delle emissioni provenienti da questi settori “difficili da mitigare”.

Tuttavia, le attuali tecnologie sperimentali che catturano e convertono l’anidride carbonica lo fanno come due processi separati, che a loro volta richiedono un’enorme quantità di energia per funzionare. Il team del MIT sta cercando di combinare i due processi in un unico sistema integrato e più efficiente dal punto di vista energetico che possa funzionare con energia rinnovabile per catturare e convertire l’anidride carbonica da fonti industriali concentrate.

Scoperte recenti sulla cattura e conversione del carbonio

In uno studio pubblicato il 5 settembre sulla rivista Catalisi ACSI ricercatori rivelano la funzione nascosta di come l’anidride carbonica viene catturata e convertita attraverso un unico processo elettrochimico. Il processo prevede l’utilizzo di un elettrodo per catturare l’anidride carbonica rilasciata dal materiale assorbente, convertendola in una forma diluita riutilizzabile.

Altri hanno riportato dimostrazioni simili, ma i meccanismi che guidano la reazione elettrochimica sono rimasti poco chiari. Il team del MIT ha condotto esperimenti approfonditi per determinare questa spinta, scoprendo infine che era dovuta alla pressione parziale del biossido di carbonio. In altre parole, quanto più pura è la CO2 che entra in contatto con l’elettrodo, tanto più efficientemente l’elettrodo cattura e converte la molecola.

Scopri cos’è questo motore principale o “attivo”. Classificare“, potrebbe aiutare gli scienziati a mettere a punto e ottimizzare sistemi elettrochimici simili per catturare e convertire in modo efficiente l’anidride carbonica in un processo integrato.

I risultati dello studio suggeriscono che, sebbene questi sistemi elettrochimici potrebbero non essere adatti ad ambienti altamente diluiti (ad esempio, per catturare e convertire le emissioni di carbonio direttamente dall’aria), sarebbero adatti per emissioni altamente concentrate generate da processi industriali. Soprattutto quelli che non hanno un’alternativa chiara alle energie rinnovabili.

“Possiamo e dobbiamo passare a fonti di energia rinnovabile per produrre elettricità”, afferma l’autore dello studio Petar Galant, professore associato di sviluppo della carriera al MIT, classe 1922. “Industrie che decarbonizzano profondamente come la produzione di cemento o acciaio sono impegnative e richiederanno tempo”. “Anche se ci sbarazzassimo di tutte le nostre centrali elettriche, abbiamo bisogno di alcune soluzioni per gestire le emissioni di altri settori a breve termine, prima di poterli decarbonizzare completamente. È qui che vediamo un punto debole, dove qualcosa di simile a questo sistema potrebbe funzionare.

Coautori dello studio del MIT sono l’autore principale e ricercatore post-dottorato Graham Leverick e la studentessa laureata Elizabeth Bernhardt, insieme ad Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Low, Arif Arifuzzaman e Mohd Khairuddin Arua della Sunway University Malaysia.

Comprendere il processo di cattura del carbonio

Le tecnologie di cattura del carbonio sono progettate per catturare le emissioni, o “gas di combustione”, dalle ciminiere delle centrali elettriche e degli impianti di produzione. Ciò viene fatto principalmente utilizzando grandi retrofit per dirigere le emissioni in camere riempite con una soluzione di “cattura” – una miscela di ammine, o composti a base di ammoniaca, che si legano chimicamente con l’anidride carbonica, creando una forma stabile che può essere separata dal resto. Dai gas di combustione.

Vengono quindi applicate temperature elevate, solitamente sotto forma di vapore di combustibile fossile, per liberare l’anidride carbonica catturata dal legame amminico. Nella sua forma pura, il gas può poi essere pompato in serbatoi di stoccaggio o nel sottosuolo, mineralizzato o convertito in prodotti chimici o carburante.

“La cattura del carbonio è una tecnologia matura, poiché la chimica è nota da circa 100 anni, ma richiede strutture molto grandi ed è molto costosa e ad alta intensità energetica da gestire”, sottolinea Gallant. “Ciò che vogliamo sono tecnologie che siano più flessibili e flessibili e possano essere adattate a fonti più diverse di anidride carbonica. I sistemi elettrochimici possono aiutare ad affrontare questo problema.”

Il suo gruppo al MIT sta sviluppando un sistema elettrochimico che recupera l’anidride carbonica catturata e la trasforma in un prodotto ridotto e utilizzabile. Un sistema così integrato, anziché separato, potrebbe essere alimentato interamente da elettricità rinnovabile anziché da vapore derivato da combustibili fossili, afferma.

Il loro concetto è incentrato su un elettrodo che può essere installato in camere esistenti per soluzioni di cattura del carbonio. Quando viene applicata tensione all’elettrodo, gli elettroni fluiscono sulla forma reattiva dell’anidride carbonica e la convertono in un prodotto utilizzando i protoni forniti dall’acqua. Ciò rende l’assorbente disponibile per legare più anidride carbonica, anziché utilizzare il vapore per fare la stessa cosa.

Gallant ha precedentemente dimostrato che questo processo elettrochimico può catturare l’anidride carbonica e trasformarla in un gas Forma di carbonato solido.

“Abbiamo dimostrato che questo processo elettrochimico era possibile fin dai primi concetti”, afferma. “Da allora, ci sono stati altri studi incentrati sull’utilizzo di questo processo per cercare di produrre sostanze chimiche e combustibili utili. Ma ci sono state spiegazioni incoerenti su come funzionano queste reazioni, dietro il cofano.”

Ruolo della Solo CO2

Nel nuovo studio, il team del MIT ha preso una lente d’ingrandimento sotto il cofano per individuare le reazioni specifiche che guidano il processo elettrochimico. In laboratorio, hanno prodotto soluzioni amminiche che assomigliano a soluzioni di cattura industriale utilizzate per estrarre l’anidride carbonica dai gas di combustione. Hanno variato sistematicamente le diverse proprietà di ciascuna soluzione, come pH, concentrazione e tipo di ammina, quindi hanno fatto passare ciascuna soluzione attraverso un elettrodo fatto di argento, un metallo ampiamente utilizzato negli studi di elettrolisi e noto per la sua capacità di convertire in modo efficiente l’anidride carbonica in carbonio. . Monossido. Hanno quindi misurato la concentrazione di monossido di carbonio convertito alla fine della reazione e hanno confrontato questo numero con ogni altra soluzione testata, per vedere quale parametro aveva il maggiore effetto sulla quantità di monossido di carbonio prodotta.

Alla fine, hanno scoperto che ciò che contava di più non era il tipo di ammina utilizzata inizialmente per intrappolare l’anidride carbonica, come molti si aspettavano. Si trattava invece della concentrazione di singole molecole di CO2 libere che evitavano il legame con le ammine ma erano comunque presenti in soluzione. La “singola anidride carbonica” determina la concentrazione di monossido di carbonio che viene infine prodotta.

“Abbiamo scoperto che era più facile reagire con la singola anidride carbonica che con l’anidride carbonica catturata dall’ammina”, afferma Leverick. “Questo dice ai futuri ricercatori che questo processo potrebbe essere fattibile per i flussi industriali, poiché alte concentrazioni di anidride carbonica possono essere catturate in modo efficiente e convertite in sostanze chimiche e combustibili utili”.

“Questa non è una tecnica di rimozione ed è importante menzionarlo”, sottolinea Gallant. “Il valore che apporta è che ci permette di riciclare la CO2 più volte mantenendo i processi industriali esistenti, per ridurre le emissioni associate. In definitiva, il mio sogno è che i sistemi elettrochimici possano essere utilizzati per facilitare la mineralizzazione e lo stoccaggio permanente della CO2, un vero e proprio tecnologia di rimozione.” Questa è una visione a lungo termine e gran parte della scienza che stiamo iniziando a comprendere è un primo passo verso la progettazione di questi processi.

Riferimento: “Rilevazione di specie attive nell’anidride carbonica mediata da ammine₂ “Riduzione della CO2 nell’Ag” di Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa e Petar M. Gallant*, 5 settembre 2023, Catalisi ACS.
doi: 10.1021/acscatal.3c02500

Questa ricerca è supportata dalla Sunway University Malaysia.