Kemister vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har visat en praktisk, energieffektiv metod för att fånga upp koldioxid (CO2) direkt från luften. De rapporterar sina fynd i Naturenergi . Om den distribueras i stor skala och kopplas till geologisk lagring, tekniken kan stärka portföljen av svar på globala klimatförändringar.

"Tekniker för negativa utsläpp - för att avlägsna växthusgaser från atmosfären - anses nu vara avgörande för att stabilisera klimatet, "sa Radu Custelcean från ORNL, som tänkt och ledde studien. Detta yttrande motsvarar slutsatser från en ny rapport från National Academy of Sciences. "Vår metod för direktuppsamling av luft ger grunden för en energihållbar teknik för negativa utsläpp, " han lade till.

Prestationen bygger på en principiell studie som kemisterna genomförde förra året, som förbättrades genom en tvåcykelsprocess som dramatiskt förbättrade hastigheten och kapaciteten för CO2-absorption och som helt återvinner både aminosyrasorbenten och guanidinföreningen.

Det är billigare och lättare att minska koldioxidutsläppen vid källan än att återta utsläppen från atmosfären. Oavsett, storskalig implementering av teknik som direkt luftuppsamling av CO2 anses nu nödvändigt för att begränsa ökningen av den genomsnittliga globala temperaturen till 2 grader C (~ 4 grader Fahrenheit).

Att begränsa uppvärmningen till 2 grader C skulle kräva att ta tag i miljarder ton, eller gigaton, av koldioxid från atmosfären. I princip, träd kan göra det. Dock, för att fånga CO2 i denna skala, "du måste plantera träd på en yta som är stor som Indien, "Sa Custelcean. Att fånga upp en gigaton av koldioxid per år med industriella skrubber skulle bara kräva cirka 7, 000 kvadratkilometer (~ 2, 700 kvadratkilometer) - ett område mindre än den stora ön Hawaii, sa medförfattaren Neil Williams.

För den senaste ORNL -studien, Williams och Flavien Brethomé blandade aminosyror med vatten för att göra en vattenhaltig sorbent för att ta upp koldioxid från luften. Aminosyror är säkrare än frätande natrium- eller kaliumhydroxider eller illaluktande aminer, sorbenterna som används i industriella CO2 -skrubber.

Forskarna lägger sitt vattenhaltiga sorbent i en hushållsfuktare för att maximera kontakten mellan luft och sorbent och därmed påskynda CO2 -upptag. När den väl har absorberats i vätskan, CO2 bildade ett bikarbonatsalt.

Kollegan Charles Seipp hade konstruerat och syntetiserat en organisk förening som innehåller guanidiner, kemiska grupper som är vanliga i proteiner som kan binda negativt laddade joner. Williams och Brethomé tillsatte Seipps guanidinförening till den laddade aminosyrasorbentlösningen innehållande bikarbonat, skapa ett olösligt karbonatsalt som utfälldes ur lösningen och regenererar aminosyrasorbenten, som skulle kunna återvinnas.

En kritisk del av studien var en grundlig termodynamisk analys av processen av Custelcean och Michelle Kidder, som bestämde hur mycket energi som behövdes för att driva varje kemisk reaktion. Det sista steget-att släppa ut koldioxid från karbonatkristallerna så att det kan lagras långsiktigt-är särskilt viktigt för att utveckla en energihållbar process. Eftersom CO2 är bunden i ett guanidinkarbonat fast ämne, det kan frigöras vid mycket lägre temperaturer (80–160 grader C, eller 176–320 grader F) än från de oorganiska salterna som används i nuvarande fångningsteknik, som kräver temperaturer över 800 grader C (1, 472 grader F) för att släppa ut CO2. Ändå, analysen visade att värmen som behövs för att släppa ut CO2 från guanidinkarbonatkristallerna är fortfarande signifikant.

För att göra den övergripande processen energihållbar, Custelcean bestämde sig för att använda koncentrerad solenergi. Han skaffade en soldriven ugn, används normalt för att laga mat med en parabolisk spegel för att koncentrera solens strålar. Guanidinkarbonatkristallerna placerades på en bricka inuti solugnen, och CO2 frigjordes på så lite som 2 minuter, i ett förfarande som regenererar guanidinföreningen för återvinning.

"Att använda förnybar energi är viktigt eftersom du så mycket som möjligt vill undvika att producera mer CO2 när du försöker fånga den, "Custelcean sa. Detta experiment använde solvärme, men spillvärme - till exempel från luftkonditioneringsapparater och kraftverk - skulle också fungera, han sa.

Går vidare, forskarna skulle vilja designa enklare, mer effektiva guanidinbaserade sorbenter och få en bättre förståelse för det strukturella, termodynamiska och mekanistiska aspekter av processen för direktuppsamling av luft.

"Alla kristaller som vi har gjort hittills inkluderar vatten som hydratiserar karbonatanjonerna, "Custelcean förklarade." När du försöker släppa ut CO2, du måste desorbera vattnet också och det tar det mesta av energin. Vi försöker designa nästa generations guanidinligander som binder CO2 som "torrt" karbonat. "

ORNL:s bänkskalprocess kan för närvarande fånga upp till 100 gram CO2 på 24 timmar.

Forskarna har sökt patent som beskriver processen. För nästa steg, de söker en industriell partner för att skala upp processen från bordsdemono till pilotanläggning och, så småningom, fullskalig industrianläggning.

Papperets titel är "Direkt luftavskiljning av CO2 via vattenfasabsorption och kristallinfasfrisättning med koncentrerad solenergi."

DOE Office of Science stödde forskningen.