Som en del av ett maratonforskningsarbete för att sänka kostnaden för koldioxidavskiljning, kemister har nu visat en metod för att beslagta koldioxid (CO ₂ ) som sänker kostnaderna med 19 procent jämfört med nuvarande kommersiell teknik. Den nya tekniken kräver 17 procent mindre energi för att utföra samma uppgift som dess kommersiella motsvarigheter, överträffar hinder som har hindrat andra former av koldioxidutsläpp från utbredd industriell användning. Och det kan enkelt tillämpas i befintliga fångstsystem.

I en studie publicerad i mars 2021 -upplagan av International Journal of Greenhouse Gas Control , forskare från U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory - tillsammans med medarbetare från Fluor Corp. och Electric Power Research Institute - beskriver egenskaperna hos lösningsmedlet, känd som EEMPA, som gör det möjligt att kringgå de energiskt dyra kraven som traditionella lösningsmedel medför.

"EEMPA har några lovande egenskaper, "sade kemiingenjören Yuan Jiang, huvudförfattare till studien. "Den kan fånga upp koldioxid utan hög vattenhalt, så det är vattenmagert, och det är mycket mindre visköst än andra vattenmagra lösningsmedel. "

Kolfångstmetoder är olika. De sträcker sig från vattenhaltiga aminer-de vattenrika lösningsmedlen som rinner genom dagens kommersiellt tillgängliga fångenheter, som Jiang använde som en industriell jämförelse-till energieffektiva membran som filtrerar CO ₂ från rökgas som släpps ut från kraftverk.

Nuvarande atmosfärisk CO ₂ nivåer har stigit högre de senaste åren än vid någon tidpunkt under de senaste 800, 000 år, som ett nytt rekord på 409,8 delar per miljon slogs 2019. CO ₂ frigörs främst genom mänsklig verksamhet som förbränning av fossila bränslen, och dagens atmosfäriska koncentrationer överstiger förindustriella nivåer med 47 procent.

Till en kostnad av $ 400-$ 500 miljoner per enhet, kommersiell teknik kan fånga upp kol till cirka 58,30 dollar per ton CO ₂ , enligt en DOE -analys. EEMPA, enligt Jiangs studie, kan absorbera CO ₂ från kraftverkets rökgas och senare släppa ut det som ren CO ₂ för så lite som $ 47,10 per ton, erbjuder ett ytterligare teknikalternativ för kraftverksoperatörer att fånga sin CO ₂ .

Jiangs studie beskrev sju processer som kraftverk kan anta vid användning av EEMPA, allt från enkla inställningar som liknar dem som beskrivs i 1930 -talets teknik, till flerstegskonfigurationer av större komplexitet. Jiang modellerade energi- och materialkostnaderna för att köra sådana processer i ett kolkraftverk på 550 megawatt, upptäcka att varje metod sammanfaller nära $ 47,10 per ton.

Att lösa ett lösningsmedels problem

Ett av de första kända patenten för lösningsmedelsbaserad teknik för avskiljning av koldioxid växte fram 1930, inlämnad av Robert Bottoms.

"Jag skämtar inte, "sa den gröna kemisten David Heldebrant, medförfattare till den nya studien. "Nittionett år sedan, Bottoms använde nästan samma processdesign och kemi för att ta itu med det vi nu känner som ett problem från 2000 -talet. "

Den kemiska processen för utvinning av CO ₂ från förbränningsgas förblir i stort sett oförändrad:vattenrika aminer blandas med rökgas, ta upp CO ₂ och senare avlägsnas gasen, som sedan komprimeras och lagras. Men vattenhaltiga aminer har begränsningar. Eftersom de är vattenrika, de måste kokas vid höga temperaturer för att avlägsna CO ₂ och sedan svalnade innan de kan återanvändas, körkostnader uppåt.

"Vi ville slå den från andra sidan och fråga, varför använder vi inte 2000 -talets kemi för detta? "sa Heldebrant. Så, År 2009, han och hans kollegor började designa vattenmagra lösningsmedel som ett alternativ. De första lösningsmedlen var för trögflytande för att kunna användas.

"'Se, '' mindes han branschpartner som sa, "" ditt lösningsmedel fryser och förvandlas till glas. Vi kan inte arbeta med det här. " Så, vi sa, OK. Utmaning accepterad."

Under det kommande decenniet, PNNL -teamet förfinade lösningsmedlets kemi med det uttryckliga syftet att övervinna "viskositetsbarriären". Nyckeln, Det visade sig, skulle använda molekyler som justerades på ett sätt som främjade intern vätebindning, lämnar färre väteatomer att interagera med närliggande molekyler.

Heldebrant gör en jämförelse med barn som springer genom en bollgrop:om två barn håller varandra i händerna medan de passerar genom, de rör sig långsamt. Men om de håller sina egna händer istället, de passerar som två mindre, objekt som rör sig snabbare. Intern vätebindning lämnar också färre väteatomer att interagera med totalt sett, liknande att ta bort bollar från gropen.

Svängbar till plast

Där lagets lösningsmedel en gång var trögflytande som honung, det rann nu som vatten från vattenkokaren. EEMPA är 99 procent mindre viskös än PNNL:s tidigare vattenmagriga formuleringar, nu nästan i nivå med kommersiella lösningsmedel, så att de kan användas i befintlig infrastruktur, som till stor del är byggt av stål. Vridbar till plast istället för stål, laget hittade, kan ytterligare minska utrustningskostnaderna.

Stål är dyrt att tillverka, dyrt att skicka och tenderar att korrodera över tid i kontakt med lösningsmedel. Vid en tiondel av vikten, att ersätta plast med stål kan driva den totala kostnaden ner ytterligare $ 5 per ton, enligt en studie ledd av Jiang 2019.

Parning med plast erbjuder ytterligare en fördel för EEMPA, vars reaktiva yta förstärks i plastsystem. Eftersom traditionella vattenhaltiga aminer inte också kan "blöta" plast (tänk på vattenpärlor på teflon), denna fördel är unik för det nya lösningsmedlet.

PNNL -teamet planerar att producera 4, 000 liter EEMPA 2022 för att analysera i en skala på 0,5 megawatt inuti testanläggningar vid National Carbon Capture Center i Shelby County, Alabama, i ett projekt som leds av Electric Power Research Institute i samarbete med Research Triangle Institute International. De kommer att fortsätta testa i ökande skala och ytterligare förfina lösningsmedlets kemi, med syftet att nå U.S. Department of Energy:s mål att distribuera kommersiellt tillgänglig teknik som kan fånga CO ₂ till en kostnad av 30 dollar per ton år 2035.