Sandia National Laboratories-stipendiat och University of New Mexicos regentprofessor Jeff Brinker ledde arbetet med att utveckla det billiga memzymet som kan befria kolrök från koldioxid, den vanligaste växthusgasen. Kredit:Randy Montoya
Ett biologiskt inspirerat membran avsett att rena koldioxid nästan helt från röken från koleldade kraftverk har utvecklats av forskare vid Sandia National Laboratories och University of New Mexico.
Det patenterade verket, rapporterade nyligen i Naturkommunikation , har intresserat kraft- och energibolag som vill avsevärt och billigt minska utsläppen av koldioxid, en av de mest utbredda växthusgaserna, och utforska andra möjliga användningar av uppfinningen.
Memzymet uppfyller Department of Energys standarder genom att fånga upp 90 procent av kraftverkets koldioxidproduktion till en relativt låg kostnad av 40 USD per ton.
Forskare kallar membranet ett "memzyme" eftersom det fungerar som ett filter men är nästan mättat med ett enzym, kolsyraanhydras, utvecklat av levande celler under miljontals år för att hjälpa till att bli av med koldioxid effektivt och snabbt.
"Hittills, att ta bort koldioxid från rök har varit oöverkomligt dyrt med den tjocka, fast, polymermembran tillgängliga för närvarande, säger Jeff Brinker, en Sandia-karl, Regentprofessor vid University of New Mexico och tidningens huvudförfattare.
"Vår billiga metod följer naturens ledning i vår användning av ett vattenbaserat membran endast 18 nanometer tjockt som innehåller naturliga enzymer för att fånga upp 90 procent av koldioxid som frigörs. (En nanometer är ungefär 1/700 av diametern på ett människohår.) Detta är nästan 70 procent bättre än nuvarande kommersiella metoder, och det görs till en bråkdel av kostnaden."
Kolkraftverk är en av USA:s största energiproducenter, men de har kritiserats av vissa för att de skickar ut mer koldioxid i atmosfären än någon annan form av elproduktion. Fortfarande, kolbränning i Kina, Indien och andra länder gör att USA:s abstinens ensam inte sannolikt kommer att lösa världens klimatproblem.
Men, säger Brinker, "kanske tekniken kommer."
Enhetens bildning börjar med en torkningsprocess som kallas förångningsinducerad självmontering, utvecklades först på Sandia av Brinker för 20 år sedan och ett eget studieområde.
Enzymatisk vätskemembrandesign och mekanism för infångning och separation av koldioxid. Sandia/University of New Mexico-membranet tillverkas genom bildning av mesoporer med 8 nanometer diameter. Genom att använda atomskiktsavsättning och syreplasmabehandling, kiseldioxidmesoporerna är konstruerade för att vara hydrofoba förutom en 18 nm-djup region vid porytan som är hydrofil. Genom kapillär kondensation, kolsyraanhydrasenzymer och vatten fyller spontant de hydrofila mesoporerna för att bilda en rad stabiliserade enzymer med en effektiv koncentration som är större än 10 gånger den som kan uppnås i lösning. Dessa katalyserar infångningen och upplösningen av koldioxid vid uppströmsytan och regenereringen av koldioxid vid nedströmsytan. Den höga enzymkoncentrationen och korta diffusionsvägen maximerar infångningseffektiviteten och flödet. Kredit:Sandia National Laboratories
Proceduren skapar en tätpackad samling av kiseldioxidnanoporer utformade för att rymma kolsyraanhydrasenzymet och hålla det stabilt. Detta görs i flera steg. Först, arrayen, som kan vara 100 nanometer lång, behandlas med en teknik som kallas atomlagerdeposition för att göra nanoporytan vattenavers eller hydrofob. Detta följs av en syreplasmabehandling som täcker den vattenavvisande ytan för att göra nanoporerna vattenälskande eller hydrofila, men bara till ett djup av 18 nanometer. En lösning av enzymet och vattnet fylls spontant och stabiliseras i den vattenälskande delen av nanoporerna. Detta skapar membran av vatten som är 18 nanometer tjocka, med en kolsyraanhydraskoncentration 10 gånger högre än vattenhaltiga lösningar som gjorts hittills.
Lösningen, hemma i sin vattenälskande ärm, är stabil. Men på grund av enzymets förmåga att snabbt och selektivt lösa upp koldioxid, det katalytiska membranet har förmågan att fånga den överväldigande majoriteten av koldioxidmolekyler som stöter upp mot det från ett stigande moln av kolrök. De krokade molekylerna passerar sedan snabbt genom membranen, drivs enbart av en naturligt förekommande tryckgradient orsakad av det stora antalet koldioxidmolekyler på ena sidan av membranet och deras jämförande frånvaro på den andra. Den kemiska processen omvandlar gasen kortvarigt till kolsyra och sedan bikarbonat innan den lämnar omedelbart nedströms som koldioxidgas. Gasen kan skördas med 99 procent renhet — så ren att den skulle kunna användas av oljebolag för resursutvinning. Andra molekyler passerar ostört förbi membranets yta. Enzymet är återanvändbart, och eftersom vattnet fungerar som ett medium snarare än en skådespelare, behöver inte bytas ut.
Nanoporerna torkar ut under långa tidsperioder på grund av avdunstning. Detta kommer att kontrolleras av vattenånga som stiger upp från lägre vattenbad som redan är installerade i kraftverk för att minska svavelutsläppen. Och, enzymer som skadats efter användning med tiden kan enkelt ersättas.
säger Brinker, "Den mycket höga koncentrationen av kolsyraanhydras, tillsammans med den tunna vattenkanalen, resultera i mycket högt koldioxidflöde genom membranet. Ju högre kolsyraanhydraskoncentration, desto större flöde. Ju tunnare membran, desto större flöde."
Membranets arrangemang i en generatorstations rökkanal skulle vara som för en katalysator i en bil, föreslår Brinker. Membranen skulle sitta på den inre ytan av ett rör arrangerat som en bikaka. Rökgasen skulle strömma genom det membraninbäddade röret, med en koldioxidfri gasström på utsidan av rören. Att variera rörlängden och diametern skulle optimera koldioxidutvinningsprocessen.
"Energibolag och olje- och gasföretag har uttryckt intresse för att optimera gasfiltren för specifika förhållanden, säger Susan Rempe, Sandia forskare och medförfattare, som föreslog och utvecklade idén att sätta in kolsyraanhydras i vattenlösningen för att förbättra hastigheten med vilken koldioxid kunde tas upp och frigöras från membranet. "Enzymet kan katalysera upplösningen av en miljon koldioxidmolekyler per sekund, vilket avsevärt förbättrar processens hastighet. Med optimering av industrin, memzymet kan göra elproduktion billig och grön, " hon säger.
Separeringsprocessen kan öka mängden bränsle som erhålls genom ökad oljeutvinning med användning av koldioxid som injiceras i befintliga reservoarer.
Ett lite annorlunda enzym, används i samma process, kan omvandla metan – en ännu mer potent växthusgas – till den mer lösliga metanolen för borttagning, hon säger.
Före rengöring med industriella skrubbrar innebär att den stigande röken är tillräckligt ren för att inte märkbart försämra membraneffektiviteten, säger University of New Mexico professor och medförfattare Ying-Bing Jiang, som skapade och utvecklade idén att använda vattenhaltiga membran baserade på människokroppens processer för att separera ut koldioxid. Membranen har fungerat effektivt i laboratoriemiljöer i månader.
Proceduren kan också binda koldioxid på ett rymdskepp, författarna nämner, eftersom membranen fungerar vid omgivningstemperaturer och enbart drivs av kemiska gradienter.
