Ett stort framsteg inom koldioxidavskiljningstekniken skulle kunna ge ett effektivt och billigt sätt för naturgaskraftverk att ta bort koldioxid från sina rökutsläpp, ett nödvändigt steg för att minska utsläppen av växthusgaser för att bromsa den globala uppvärmningen och klimatförändringarna.

Utvecklad av forskare vid University of California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory och ExxonMobil, den nya tekniken använder ett mycket poröst material som kallas ett metallorganiskt ramverk, eller MOF, modifierad med kvävehaltiga aminmolekyler för att fånga CO ₂ och låg temperatur ånga för att spola ut CO ₂ för annan användning eller för att beslagta den under jord.

I experiment, Tekniken visade en sex gånger större kapacitet för att avlägsna CO ₂ från rökgas än nuvarande aminbaserad teknik, och det var mycket selektivt, fångar upp mer än 90 % av CO ₂ släpps ut. Processen använder ånga med låg temperatur för att regenerera MOF för upprepad användning, vilket betyder att mindre energi krävs för kolavskiljning.

"För CO ₂ fånga, ångstrippning – där du använder direktkontakt med ånga för att ta bort CO ₂ —har varit ett slags helig gral för fältet. Det ses med rätta som det billigaste sättet att göra det, "sa seniorforskaren Jeffrey Long, UC Berkeley professor i kemi och i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst och senior fakultetsforskare vid Berkeley Lab. "Dessa material, åtminstone från de experiment vi har gjort hittills, ser mycket lovande ut. "

För det finns liten marknad för de flesta fångade CO ₂ , kraftverk skulle troligen pumpa tillbaka det mesta i marken, eller beslagta det, där den helst skulle förvandlas till sten. Kostnaden för att skrubba utsläppen måste underlättas av regeringens politik, som kolhandel eller en koldioxidskatt, att stimulera CO ₂ fångst och sekvestrering, något som många länder redan har genomfört.

Arbetet finansierades av ExxonMobil, som arbetar med både Berkeley-gruppen och Longs uppstart, Mosaic Materials Inc., att utveckla, skala upp och testa processer för avlägsnande av CO ₂ från utsläpp.

Long är seniorförfattare till en artikel som beskriver den nya tekniken som kommer att dyka upp i 24 juli-numret av tidskriften Vetenskap .

"Vi kunde ta den första upptäckten och, genom forskning och testning, härleda ett material som i laboratorieförsök har visat potential att inte bara fånga CO ₂ under de extrema förhållanden som finns i rökgasutsläpp från naturgaskraftverk, men att göra det utan förlust av selektivitet, " sa medförfattaren Simon Weston, senior forskningsassistent och projektledare vid ExxonMobil Research and Engineering Co. "Vi har visat att dessa nya material sedan kan regenereras med låggradig ånga för upprepad användning, tillhandahålla en väg för en livskraftig lösning för koldioxidavskiljning i stor skala. "

Koldioxidutsläpp från fordon som förbränner fossila bränslen, elproducerande anläggningar och industri står för uppskattningsvis 65% av de växthusgaser som driver klimatförändringarna, som redan har ökat jordens medeltemperatur med 1,8 grader Fahrenheit (1 grad Celsius) sedan 1800-talet. Utan en minskning av dessa utsläpp, klimatforskare förutspår allt varmare temperaturer, mer oregelbundna och våldsamma stormar, flera fots höjning av havsnivån och resulterande torka, översvämningar, bränder, hungersnöd och konflikter.

"I verkligheten, av den typ av saker som den mellanstatliga panelen för klimatförändringar säger att vi måste göra för att kontrollera den globala uppvärmningen, CO ₂ fångst är en stor del, "Sade länge. "Vi har inte användning för det mesta av CO ₂ att vi måste sluta släppa ut, men vi måste göra det."

Avskalning

Kraftverk band CO ₂ från rökgasutsläpp idag genom att bubbla rökgaser genom organiska aminer i vatten, som binder och extraherar koldioxiden. Vätskan värms sedan till 120-150 C (250-300 F) för att frigöra CO ₂ gas, varefter vätskorna återanvänds. Hela processen förbrukar cirka 30% av den genererade energin. Sekvestrering av den fångade CO ₂ underjordiska kostar en extra, fast liten, bråkdel av det.

Sex år sedan, Long och hans grupp i UC Berkeleys centrum för gasseparationer, som finansieras av U.S.Department of Energy, upptäckte en kemiskt modifierad MOF som lätt fångar upp CO ₂ från koncentrerade rökgasutsläpp från kraftverk, potentiellt minska fångstkostnaden med hälften. De tillsatte diaminmolekyler till en magnesiumbaserad MOF för att katalysera bildningen av polymerkedjor av CO ₂ som sedan kunde rensas genom spolning med en fuktig ström av koldioxid.

Eftersom MOF är mycket porösa, i det här fallet som en honungskaka, en mängd vikten på ett gem har en inre yta som är lika stor som en fotbollsplan, alla tillgängliga för att adsorbera gaser.

En stor fördel med de aminbilagda MOF:erna är att aminerna kan finjusteras för att fånga upp CO ₂ i olika koncentrationer, allt från de 12% till 15% som är typiska för kolanläggningsutsläpp till de 4% som är typiska för naturgasanläggningar, eller till och med de mycket lägre koncentrationerna i omgivande luft. Mosaikmaterial, som Long var med och grundade och regisserar, skapades för att göra denna teknik allmänt tillgänglig för kraft- och industrianläggningar.

Men 180 C-strömmen av vatten och CO ₂ behövs för att spola det fångade CO ₂ så småningom driver bort diaminmolekylerna, förkortar materialets livslängd. Den nya versionen använder fyra aminmolekyler - en tetraamin - som är mycket mer stabil vid höga temperaturer och i närvaro av ånga.

"Tetraaminerna är så starkt bundna inom MOF att vi kan använda en mycket koncentrerad ström av vattenånga med noll CO ₂ , och om du provade det med de tidigare adsorbenterna, ångan skulle börja förstöra materialet, "Sa Long.

De visade att direktkontakt med ånga vid 110-120 C-en bit över kokpunkten för vatten-fungerar bra för att spola ut CO ₂ . Ånga vid den temperaturen är lätt tillgänglig i naturgaskraftverk, medan 180 C CO ₂ -vattenblandning som krävs för att regenerera den tidigare modifierade MOF nödvändig uppvärmning, som slösar bort energi.

När länge, Weston och deras kollegor funderade först på att ersätta diaminer med tuffare tetraaminer, det verkade som ett långt skott. Men kristallstrukturer för de diamininnehållande MOF:erna föreslog att det kan finnas sätt att ansluta två diaminer för att bilda en tetraamin samtidigt som materialets förmåga att polymerisera CO bevaras ₂ . När UC Berkeley doktorand Eugene Kim, tidningens första författare, kemiskt skapat den tetraamin-bifogade MOF, det överträffade den diamant-bifogade MOF vid första försöket.

Forskarna studerade därefter strukturen av den modifierade MOF med hjälp av Berkeley Labs avancerade ljuskälla, avslöjar att CO ₂ polymerer som kantar porerna i MOF är faktiskt länkade av tetraaminerna, som en stege med tetraaminer som stegpinn. Första principerna för densitetsfunktionella teoriberäkningar med hjälp av Cori-superdatorn i Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), beräkningsresurser vid Molecular Foundry och resurser från campusens Berkeley Research Computing -program bekräftade denna anmärkningsvärda struktur som Longs team först hade tänkt sig.

"Jag har forskat på Cal i 23 år nu, och det här är en av de tillfällen då du har vad som verkade vara en galen idé, och det fungerade bara direkt, "Sa Long.

Medförfattare med Long, Kim och Weston är Joseph Falkowski från ExxonMobil; Rebecca Siegelman, Henry Jiang, Alexander Forse, Jeffrey Martell, Philip Milner, Jeffrey Reimer och Jeffrey Neaton från UC Berkeley; och Jung-Hoon Lee från Berkeley Lab. Neaton och Reimer är också seniorforskare vid Berkeley Lab.