Электрохимический процесс мог бы повысить эффективность улавливания углерода непосредственно из воздуха

Команда из Факультета прикладных наук и инженерии Университета Торонто изобрела устройство, которое использует электрохимию для повышения эффективности прямого улавливания углерода из воздуха. Их альтернативная стратегия направлена на ускорение широкого внедрения этой новой технологии.

“Технология, необходимая для извлечения углерода непосредственно из воздуха, разрабатывалась десятилетиями, но сейчас развитие этой области ускоряется, поскольку правительства и промышленность инвестируют в инфраструктуру, необходимую для того, чтобы действительно делать это в больших масштабах”, – говорит Дэвид Синтон, профессор факультета машиностроения и промышленного инжиниринга и старший автор исследования. в статье, опубликованной в журнале Joule, в которой описывается новая методика.

“Одним из ключевых препятствий является то, что текущие процессы требуют много энергии и сами по себе выделяют значительное количество углерода”, – говорит Синтон, который возглавляет канадскую исследовательскую кафедру микрофлюидики и энергетики и является академическим директором инициативы “Положительная энергия климата”, одной из институциональных стратегических инициатив U of T.

“Если мы сможем предложить более эффективную стратегию, мы сможем обосновать необходимость масштабирования этой технологии до уровня, значимого для климата”.

Особый метод улавливания углерода, над усовершенствованием которого работают Синтон и его команда, известен как цикл изменения рН. Это начинается, когда воздух прокачивается через жидкий раствор, который является сильно щелочным, что означает, что он имеет высокий рН. CO2, содержащийся в воздухе, вступает в реакцию со щелочным раствором и улавливается в виде карбонатов.

Для регенерации улавливающих жидкостей добавляют химикаты для осаждения карбонатов в виде твердой соли. В типичном процессе эта соль нагревается путем сжигания природного газа, чтобы превратить карбонаты обратно в газ CO2, который можно закачивать под землю или перерабатывать в другие продукты на основе углерода.

“Если вы проведете анализ жизненного цикла всего этого процесса, вы увидите, что на каждую тонну улавливаемого вами CO2 вы генерируете эквивалент примерно 300-500 килограммов CO2”, – говорит Йи (Шелдон) Сюй, который работал над проектом в качестве кандидата наук и постдокторанта в лаборатории Синтона.

“Вы по—прежнему лидируете, но затраты энергии — особенно на этапе нагрева – обходятся дорого с точки зрения общей углеродной эффективности”, – говорит Сюй, который сейчас работает в Стэнфордском университете.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда обратилась к электрохимии — электролизеры используют электричество для ускорения химических реакций, которые иначе не происходили бы. Топливные элементы делают обратное, вырабатывая электричество в результате химических реакций.

Ключевой идеей команды было создание единого устройства, которое могло бы работать в обоих направлениях — и как топливный элемент, и как электролизер. Это новшество позволило им открыть новый путь к регенерации щелочных растворов, необходимых для улавливания углерода.
Исследователи U of T Engineering создали устройства, которые могут быстро переключаться между режимом электролизера и режимом топливных элементов, повышая их общую эффективность при регенерации жидких растворов, необходимых для улавливания углерода. Автор: Тайлер Ирвинг

“Как электролизеры, так и топливные элементы имеют положительный и отрицательный электрод”, – говорит член команды Джонатан Эдвардс, аспирант кафедры машиностроения.

“В нашем устройстве положительный электрод топливного элемента и электролизер являются одним и тем же. Мы переключаем режим работы каждую секунду, так что на поверхности одного и того же электрода могут происходить две разные реакции”.

В первой из этих двух реакций электролизер использует электрический ток для извлечения ионов щелочных металлов и регенерации сильнощелочного раствора, необходимого для улавливания воздуха. Электролизер также производит водород, который возвращается обратно в топливный элемент устройства, где он реагирует с образованием электричества, которое, в свою очередь, подается обратно в электролизер.

Топливный элемент вырабатывает кислотный раствор, который вступает в реакцию с карбонатными солями из устройства улавливания воздуха с выделением газообразного CO2. После выделения CO2 полученный раствор подается обратно в электролизер, завершая таким образом цикл.

Этот процесс обладает рядом преимуществ. Во-первых, при этом полностью исключается энергоемкий этап нагрева. Во—вторых, он использует электричество в отличие от природного газа – это электричество может быть получено из низкоуглеродистых источников, таких как солнечная, ветровая или ядерная энергия.

Наконец, тот факт, что две реакции протекают на одном электроде, снижает так называемые ограничения массопереноса – узкие места в том, как быстро реагенты могут диффундировать к поверхности электрода, — которые увеличивают количество энергии, необходимое для запуска реакции.

“Когда мы провели анализ жизненного цикла нашего процесса, мы увидели, что он генерирует всего около 11 кг эквивалента CO2 на тонну улавливаемого CO2”, – говорит Шицзе Лю, кандидат технических наук в области машиностроения и промышленного инжиниринга. “Это примерно в 40 раз меньше, чем при нынешнем термическом процессе”.

Исследование команды уже привлекло международный интерес: они вошли в топ-60 глобального конкурса по удалению углерода XPRIZE, проведенного в прошлом году. Теперь, когда их работа опубликована, они надеются, что к ним присоединятся другие исследователи для дальнейшей оптимизации этого электрохимического пути.

“На данный момент мы сосредоточены на улучшении улавливающей жидкости и дальнейшем снижении энергопотребления процесса — обеспечении того, чтобы она производилась из экологически чистых и недорогих материалов, а также на расширении ее применения до промышленного уровня”, – говорит Сюй.

“Но есть и другие области, такие как дизайн электродов, где можно было бы обнаружить больше инноваций. Нам бы хотелось, чтобы это стало жизнеспособной новой платформой для установок по улавливанию углерода, строительство и эксплуатация которых менее энергоемки, чем те, что мы имеем сегодня. Это дало бы нам новый мощный инструмент для смягчения последствий изменения климата”.