Новая технология улавливания углекислого газа может значительно сократить выбросы парниковых газов на электростанции

Значительный прогресс в технологии улавливания углерода может обеспечить эффективный и недорогой способ для электростанций, работающих на природном газе, удалять диоксид углерода из своих дымовых выбросов, что является необходимым шагом в сокращении выбросов парниковых газов для замедления глобального потепления и изменения климата.

Разработанная исследователями из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли и ExxonMobil, новая методика использует высокопористый материал, называемый металлоорганическим каркасом, или MOF, модифицированный азотсодержащими молекулами амина для захвата CO ₂ и низкого температура пара, чтобы вымыть СО ₂ для других целей или изолировать его под землей.

В экспериментах этот метод показал в шесть раз большую способность удалять CO ₂ из дымовых газов, чем нынешняя технология на основе амина, и он был высокоселективным, улавливая более 90% выделяемого CO ₂ . В процессе используется низкотемпературный пар для регенерации MOF для повторного использования, что означает, что для улавливания углерода требуется меньше энергии.

«Для улавливания CO ₂ отгонка паром, где вы используете прямой контакт с паром для удаления CO ₂ , была своего рода святым Граалем для полевых работ. Это справедливо считается самым дешевым способом сделать это», — сказал он. старший научный сотрудник Джеффри Лонг, профессор химии и химической и биомолекулярной инженерии Калифорнийского университета в Беркли, старший научный сотрудник лаборатории Беркли. «Эти материалы, по крайней мере, из проведенных нами экспериментов, выглядят очень многообещающе».

Поскольку для большинства улавливаемого CO ₂ мало рынка , электростанции, скорее всего, откачают большую часть его обратно в землю или изолируют его, где в идеале он превратится в камень. Расходы на очистку от выбросов должны были бы быть облегчены государственной политикой, такой как торговля углеродом или налог на углерод, чтобы стимулировать улавливание и улавливание CO ₂ , что многие страны уже осуществили.

Работа финансировалась ExxonMobil, которая работает как с группой Berkeley, так и с стартапом Long, Mosaic Materials Inc., для разработки, масштабирования и тестирования процессов удаления CO ₂ из выбросов.

Лонг является старшим автором статьи, описывающей новую технику, которая появится в номере журнала Science от 24 июля .

«Мы смогли сделать первоначальное открытие и, благодаря исследованиям и испытаниям, получить материал, который в лабораторных экспериментах показал возможность не только улавливать CO ₂ в экстремальных условиях, присутствующих в выбросах дымовых газов от электростанций, работающих на природном газе, но и делать это без потери селективности », — сказал соавтор Саймон Уэстон, старший научный сотрудник и руководитель проекта в ExxonMobil Research and Engineering Co.« Мы показали, что эти новые материалы могут быть затем регенерированы с использованием низкосортного пара для повторного использования. , обеспечивая путь для жизнеспособного решения для улавливания углерода в масштабе «.

Выбросы углекислого газа транспортными средствами, работающими на ископаемом топливе, электростанциями и промышленными предприятиями, составляют примерно 65% парниковых газов, приводящих к изменению климата, что уже привело к повышению средней температуры Земли на 1,8 градуса по Фаренгейту (1 градус Цельсия) с 19-го века. Без уменьшения этих выбросов ученые-климатологи предсказывают все более высокие температуры, более неустойчивые и сильные штормы, повышение уровня моря на несколько футов и последующие засухи, наводнения, пожары, голод и конфликты.

«На самом деле, из того, что Межправительственная группа экспертов по изменению климата говорит о том, что нам необходимо сделать, чтобы контролировать глобальное потепление, улавливание CO ₂ — огромная часть», — сказал Лонг. «Мы не используем большую часть CO _2, который нам необходим для прекращения выбросов, но мы должны это сделать».

демонтаж

Сегодня электростанции удаляют СО ₂ из выбросов дымовых газов, барботируя дымовые газы через органические амины в воде, которые связывают и извлекают углекислый газ. Затем жидкость нагревают до 120-150 ° С (250-300 ° F), чтобы выпустить газ СО ₂ , после чего жидкости повторно используют. Весь процесс потребляет около 30% произведенной энергии. Секвестрация захваченного подземного CO ₂ требует дополнительной, хотя и небольшой, доли этого.

Шесть лет назад Лонг и его группа в Центре газоразделения Калифорнийского университета в Беркли, финансируемом Министерством энергетики США, обнаружили химически модифицированный MOF, который легко улавливает CO ₂ из концентрированных выбросов дымовых газов электростанции, потенциально снижая стоимость улавливания вдвое. , Они добавили молекулы диамина к MOF на основе магния, чтобы катализировать образование полимерных цепей CO _2, которые затем могли быть продуты путем промывки влажным потоком диоксида углерода.

Поскольку MOF являются очень пористыми, в данном случае, как сотовые, величина массы скрепки для бумаг имеет площадь внутренней поверхности, равную площади футбольного поля, и все это доступно для адсорбирующих газов.

Основным преимуществом MOF с добавлением амина является то, что амины можно настраивать для захвата CO ₂ при различных концентрациях, в диапазоне от 12% до 15%, характерных для выбросов угольных электростанций, до 4%, типичных для установок, работающих на природном газе, или даже намного более низкие концентрации в атмосферном воздухе. Мозаичные материалы, которые Лонг соучредил и направляет, были созданы, чтобы сделать эту технику широко доступной для энергетических и промышленных предприятий.

Но 180 C поток воды и СО ₂ необходим , чтобы смыть захваченный СО ₂ в конечном счете отгоняет молекулы диаминов, к уменьшению срока службы материала. В новой версии используются четыре молекулы амина — тетраамин — который намного более стабилен при высоких температурах и в присутствии пара.

«Тетраамины настолько прочно связаны с MOF, что мы можем использовать очень концентрированный поток водяного пара с нулевым CO ₂ , и если вы попробуете это с предыдущими адсорбентами, пар начнет разрушать материал», — сказал Лонг.

Они показали, что прямой контакт с паром при температуре 110-120 ° С — чуть выше точки кипения воды — хорошо работает для вымывания СО ₂ . Пар при этой температуре легко доступен на электростанциях, работающих на природном газе, в то время как смесь СО _{2 с} водой в 180 ° С, необходимая для регенерации ранее модифицированного MOF, требовала нагрева, что приводит к потере энергии.

Когда Лонг, Уэстон и их коллеги впервые задумались о замене диаминов на более жесткие тетраамины, это было похоже на длинный шаг. Но кристаллические структуры диаминсодержащих MOF предполагают, что могут быть способы соединения двух диаминов с образованием тетраамина при сохранении способности материала полимеризовать CO ₂ . Когда аспирант Калифорнийского университета в Беркли Юджин Ким, первый автор статьи, химически создал MOF с добавлением тетраамина, он превзошел MOF с добавлением диамина с первой попытки.

Впоследствии исследователи изучили структуру модифицированного MOF с использованием усовершенствованного источника света Berkeley Lab, обнаружив, что полимеры CO _2, которые выстилают поры MOF, на самом деле связаны тетрааминами, как лестница с тетрааминами в качестве ступеней. Расчеты теории функционала плотности из первых принципов с использованием суперкомпьютера Cori в Национальном энергетическом научно-вычислительном центре (NERSC) лаборатории Беркли, вычислительных ресурсов на Молекулярном литейном заводе и ресурсов, предоставляемых программой «Беркли-исследовательские вычислительные системы» в кампусе, подтвердили эту замечательную структуру, которую первоначально представляла команда Лонга. ,

«Я занимаюсь исследованиями в Cal уже 23 года, и это один из тех случаев, когда у вас есть то, что казалось сумасшедшей идеей, и она сразу же сработала», — сказал Лонг.

Соавторами с Лонгом, Кимом и Уэстоном являются Джозеф Фальковски из ExxonMobil; Ребекка Сигельман, Генри Цзян, Александр Форсе, Джеффри Мартелл, Филипп Милнер, Джеффри Реймер и Джеффри Нитон из Калифорнийского университета в Беркли; и Чон Хун Ли из лаборатории Беркли. Нитон и Реймер также являются старшими учеными в лаборатории Беркли.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Калифорнии — Беркли . Оригинал написан Робертом Сандерсом. Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Юджин Дж. Ким, Ребекка Л. Сигельман, Генри З. Х. Цзян, Александр К. Форс, Юнг-Хун Ли, Джеффри Д. Мартелл, Филипп Дж. Милнер, Джозеф М. Фальковски, Джеффри Б. Нитон, Джеффри А. Реймер, Саймон C. Уэстон, Джеффри Р. Лонг. Совместное улавливание углерода и регенерация пара с добавленными тетраамином металлоорганическими каркасами . Science , 2020 DOI: 10.1126 / science.abb3976