Northwestern University heeft een "humidity swing" -technologie ontwikkeld voor directe koolstofafvang (DAC) die een reeks ionen gebruikt om kooldioxide op te vangen bij lage luchtvochtigheid en vrij te geven bij hoge luchtvochtigheid. Dit onderzoek vergroot het begrip van DAC en biedt een energie-efficiëntere methode voor koolstofafvang dan traditionele technologieën.
Naarmate de mondiale samenleving zich beweegt in de richting van het koolstofvrij maken van de industriële productie, zal het niet alleen nodig zijn om de creatie van nieuwe koolstof in de atmosfeer te voorkomen, maar ook om de koolstofdioxide die al aanwezig is te extraheren.
Terwijl de traditionele koolstofafvang zich richt op het verzamelen van koolstofdioxide vanaf het emissiepunt in een koolstofzwaar proces, extraheert "directe luchtafvang" (DAC) koolstof onder normale atmosferische omstandigheden. Deze aanpak wordt steeds belangrijker in de strijd tegen de klimaatverandering, vooral omdat onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen afneemt en de noodzaak om koolstof bij de bron af te vangen afneemt. Met behulp van vochtigheidstechnologie hebben wetenschappers verschillende nieuwe ionen ontdekt die bijdragen aan de energiezuinige koolstofvastlegging.
Nieuw onderzoek van de Northwestern University demonstreert een nieuwe manier om koolstof uit omgevingsomstandigheden op te vangen, waarbij de relatie tussen water en koolstofdioxide in een systeem wordt onderzocht, waarbij de ‘vochtigheidszwaai’-technologie wordt geïnformeerd die koolstofdioxide opvangt wanneer de luchtvochtigheid laag is en deze vrijgeeft wanneer de luchtvochtigheid hoog is. Deze methode combineert innovatieve kinetische methoden met een verscheidenheid aan ionen om koolstof vrijwel overal te verwijderen.
Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Environmental Science and Technology.
Vinayak P. Dravid van de Northwestern University, senior auteur van de studie, zei: "Niet alleen hebben we de selectie van koolstofafvangionen uitgebreid en geoptimaliseerd, we hebben ook geholpen de fundamenten van complexe vloeistof-oppervlak-interacties te onthullen. Dit werk bevordert ons collectieve begrip van DAC, en onze gegevens en analyse bieden theoretici en experimentatoren een sterke motivatie om de koolstofafvang onder reële omstandigheden verder te verbeteren. "
Dravid is de Abraham-Harris-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering van de Northwestern University en directeur van mondiale initiatieven bij het International Nanotechnology Institute. Doctoraatsstudenten John Hegarty en Benjamin Shindel zijn de co-eerste auteurs van het artikel.
Schindel zei dat het idee achter het artikel voortkwam uit de wens om omgevingsomstandigheden te gebruiken om reacties te bevorderen. "Wij houden van koolstofafvang met natte slingers, omdat er geen expliciete energiekosten aan verbonden zijn. Hoewel het bevochtigen van een bepaalde hoeveelheid lucht een bepaalde hoeveelheid energie vereist, krijg je de luchtvochtigheid idealiter 'gratis' en ben je energetisch afhankelijk van een natuurlijk reservoir van natte en droge lucht dat grenst aan de omgeving."
Het onderzoeksteam breidde ook het aantal ionen uit dat werd gebruikt om de reactie mogelijk te maken.
"We hebben niet alleen het aantal ionen verdubbeld dat koolstofafvang bij ideale vochtigheid kan bereiken, maar we hebben ook het best presterende systeem tot nu toe ontdekt", zegt John Hegarty.
De afgelopen jaren is de technologie voor het vastleggen van vochtigheidsschommelingen opgekomen. Traditionele koolstofafvangmethoden maken gebruik van adsorbentia om kooldioxide op een bronlocatie op te vangen en gebruiken vervolgens warmte of een gecreëerd vacuüm om de kooldioxide uit het adsorbens vrij te maken. De energiekosten van deze aanpak zijn hoog.
Traditionele methoden voor koolstofafvang houden koolstofdioxide vast, wat betekent dat er veel energie nodig is om het vrij te geven en opnieuw te gebruiken. Deze aanpak werkt ook niet overal. Landbouw-, beton- en staalproducenten zijn bijvoorbeeld belangrijke bronnen van emissies, maar hun grote voetafdruk maakt het onmogelijk om koolstof uit één enkele bron op te vangen. Rijkere landen moeten ernaar streven de uitstoot onder nul te brengen, terwijl ontwikkelingslanden met een meer op koolstof gebaseerde economie hun productie van koolstofdioxide moeten verminderen.
Een andere senior auteur, hoogleraar scheikunde Omar Farha, heeft uitgebreide ervaring met het onderzoeken van de rol van metaaloxide-framework (MOF)-structuren in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder het afvangen en opslaan van kooldioxide.
"DAC is een complex, veelzijdig probleem dat een interdisciplinaire aanpak vereist", aldus Farha. "Wat ik waardeer aan dit werk zijn de gedetailleerde en zorgvuldige metingen van complexe parameters. Elk voorgesteld mechanisme moet rekening houden met deze ingewikkelde observaties."
Onderzoekers uit het verleden hebben zich geconcentreerd op carbonaat- en fosfaationen om het vasthouden van vochtschommelingen te bevorderen en hebben specifieke hypothesen ontwikkeld over waarom deze specifieke ionen effectief zijn. Maar het team van Dravid hoopt een breder scala aan ionen te testen om te zien welke het beste werken. Over het geheel genomen ontdekten ze dat de ionen met de hoogste valentietoestanden – voornamelijk fosfaten – het meest effectief waren, dus gingen ze op zoek naar meerwaardige ionen, met uitsluiting van enkele, en vonden ze nieuwe ionen die effectief waren voor deze toepassing, waaronder silicaten en boraten.
Het team is van mening dat toekomstige experimenten in combinatie met computermodellen beter zullen helpen verklaren waarom sommige ionen effectiever zijn dan andere.
Er zijn al bedrijven die bezig zijn met het commercialiseren van directe CO2-afvang in de lucht, waarbij ze CO2-credits gebruiken om bedrijven te stimuleren hun uitstoot te compenseren. Veel bedrijven vangen de koolstof op die al is vastgelegd door activiteiten zoals het veranderen van landbouwpraktijken, terwijl deze aanpak expliciet koolstofdioxide rechtstreeks uit de atmosfeer zou kunnen vastleggen, deze vervolgens zou kunnen concentreren en uiteindelijk zou kunnen opslaan of hergebruiken.
Het team van Dravid is van plan dit koolstofdioxide-afvangmateriaal te combineren met een poreus sponsplatform dat ze eerder hebben ontwikkeld om milieutoxines, waaronder olie, fosfaten en microplastics, te verwijderen.