Ett nytt sätt att ta bort koldioxid från en luftström kan vara ett viktigt verktyg i kampen mot klimatförändringarna. Det nya systemet kan fungera på gasen i praktiskt taget vilken koncentrationsnivå som helst, ända ner till de ungefär 400 miljondelar som för närvarande finns i atmosfären.

De flesta metoder för att avlägsna koldioxid från en gasström kräver högre koncentrationer, sådana som finns i rökutsläppen från fossila bränslebaserade kraftverk. Ett fåtal varianter har utvecklats som kan fungera med de låga koncentrationer som finns i luft, men den nya metoden är betydligt mindre energikrävande och dyr, säger forskarna.

Tekniken, baserat på att luft passerar genom en stapel laddade elektrokemiska plattor, beskrivs i ett nytt papper i tidskriften Energi- och miljövetenskap , av MIT postdoc Sahag Voskian, som utvecklade arbetet under sin doktorsexamen, och T. Alan Hatton, Ralph Landau professor i kemiteknik.

Enheten är i huvudsak en stor, specialiserat batteri som absorberar koldioxid från luften (eller annan gasström) som passerar över dess elektroder när den laddas upp, och släpper sedan ut gasen när den släpps ut. I drift, enheten skulle helt enkelt växla mellan laddning och urladdning, med frisk luft eller matargas som blåses genom systemet under laddningscykeln, och sedan det rena, koncentrerad koldioxid som blåses ut under utsläppet.

När batteriet laddas, en elektrokemisk reaktion sker på ytan av var och en av en bunt av elektroder. Dessa är belagda med en förening som kallas polyantrakinon, som är sammansatt med kolnanorör. Elektroderna har en naturlig affinitet för koldioxid och reagerar lätt med dess molekyler i luftströmmen eller matargasen, även när den är närvarande vid mycket låga koncentrationer. Omvänd reaktion sker när batteriet är urladdat - under vilken enheten kan ge en del av den kraft som behövs för hela systemet - och i processen matar ut en ström av ren koldioxid. Hela systemet fungerar vid rumstemperatur och normalt lufttryck.

"Den största fördelen med denna teknik jämfört med de flesta andra tekniker för kolavskiljning eller kolabsorbering är den binära karaktären av adsorbentens affinitet till koldioxid, " förklarar Voskian. Med andra ord, elektrodmaterialet, av sin natur, "har antingen hög affinitet eller ingen som helst affinitet, "beroende på batteriets tillstånd för laddning eller urladdning. Andra reaktioner som används för kolfångst kräver mellanliggande kemiska bearbetningssteg eller insignal av betydande energi som värme, eller tryckskillnader.

"Denna binära affinitet tillåter infångning av koldioxid från vilken koncentration som helst, inklusive 400 delar per miljon, och tillåter att den släpps ut i vilken bärarström som helst, inklusive 100 procent CO ₂ , "Säger Voskian. Det vill säga, när all gas strömmar genom stapeln av dessa platta elektrokemiska celler, under frigöringssteget kommer den uppsamlade koldioxiden att transporteras med den. Till exempel, om den önskade slutprodukten är ren koldioxid som ska användas vid kolsyresättning av drycker, då kan en ström av den rena gasen blåsa genom plattorna. Den fångade gasen släpps sedan ut från plattorna och ansluter till strömmen.

I vissa buteljeringsanläggningar för läsk, fossilt bränsle förbränns för att generera den koldioxid som behövs för att ge dryckerna deras fizz. Liknande, vissa bönder bränner naturgas för att producera koldioxid för att mata sina växter i växthus. Det nya systemet skulle kunna eliminera behovet av fossila bränslen i dessa applikationer, och i själva verket ta ut växthusgasen direkt ur luften, säger Voskian. Alternativt, den rena koldioxidströmmen skulle kunna komprimeras och injiceras under jord för långtidsförvaring, eller till och med göras till bränsle genom en rad kemiska och elektrokemiska processer.

Processen detta system använder för att fånga upp och släppa ut koldioxid "är revolutionerande" säger han. "Allt detta sker vid omgivningsförhållanden - det finns inget behov av termisk, tryck, eller kemikalieinsats. Det är bara dessa väldigt tunna lakan, med båda ytorna aktiva, som kan staplas i en låda och anslutas till en elkälla. "

"I mina laboratorier, vi har strävat efter att utveckla ny teknik för att ta itu med en rad miljöfrågor som undviker behovet av termiska energikällor, förändringar i systemtrycket, eller tillsats av kemikalier för att slutföra separations- och frisättningscyklerna, " Säger Hatton. "Denna koldioxidavskiljningsteknik är en tydlig demonstration av kraften hos elektrokemiska tillvägagångssätt som endast kräver små svängningar i spänningen för att driva separationerna."

I en arbetsanläggning - till exempel i ett kraftverk där avgaser produceras kontinuerligt – två uppsättningar av sådana staplar av de elektrokemiska cellerna skulle kunna ställas upp sida vid sida för att fungera parallellt, med rökgas riktad först mot en uppsättning för kolavskiljning, sedan omdirigerad till den andra uppsättningen medan den första uppsättningen går in i dess urladdningscykel. Genom att växla fram och tillbaka, systemet kan alltid vara både att fånga upp och tömma gasen. I labbet, teamet har bevisat att systemet tål minst 7, 000 laddnings-urladdningscykler, med 30 procents förlust av effektivitet under den tiden. Forskarna uppskattar att de lätt kan förbättra det till 20, 000 till 50, 000 cykler.

Själva elektroderna kan tillverkas med vanliga kemiska bearbetningsmetoder. Även om detta idag görs i en laboratoriemiljö, den kan anpassas så att de i slutändan kan tillverkas i stora kvantiteter genom en rull-till-rulle-tillverkningsprocess som liknar en tidningstryckpress, Säger Voskian. "Vi har utvecklat mycket kostnadseffektiva tekniker, " han säger, uppskattar att det kan produceras för något som tiotals dollar per kvadratmeter elektrod.

Jämfört med andra befintliga tekniker för koldioxidavskiljning, detta system är ganska energieffektivt, använder ungefär en gigajoule energi per ton infångad koldioxid, konsekvent. Andra befintliga metoder har energiförbrukning som varierar mellan en till 10 gigajoule per ton, beroende på inloppskoldioxidkoncentrationen, säger Voskian.

Forskarna har startat ett företag som heter Verdox för att kommersialisera processen, och hoppas kunna utveckla en anläggning i pilotskala inom de närmaste åren, han säger. Och systemet är väldigt lätt att skala upp, han säger:"Om du vill ha mer kapacitet, du behöver bara göra fler elektroder."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.