Te midden van de mondiale inspanningen om de uitstoot van broeikasgassen terug te dringen, concentreren MIT-wetenschappers zich op koolstofafvangtechnologie om de meest uitdagende industriële emissies koolstofvrij te maken. Deze bevindingen, gebaseerd op één enkel elektrochemisch proces, zouden de uitstoot van industrieën die het moeilijkst te koolstofvrij te maken zijn, zoals staal en cement, kunnen helpen verminderen.

Onderzoekers hebben onthuld hoe je koolstofdioxide kunt opvangen en omzetten via een enkel elektrochemisch proces. Bij dit proces worden elektroden (zoals die op de foto bedekt met belletjes) gebruikt om de koolstofdioxide die vrijkomt uit het adsorbens te absorberen en om te zetten in een koolstofneutraal product. Fotocredit: JohnFreidah/MITMechE

Industrieën zoals de staal-, cement- en chemische industrie zijn bijzonder moeilijk koolstofvrij te maken vanwege hun inherente gebruik van koolstof en fossiele brandstoffen in hun productieprocessen. Als er technologie zou kunnen worden ontwikkeld om de CO2-uitstoot op te vangen en deze in het productieproces te hergebruiken, zou het mogelijk zijn om de uitstoot van deze ‘moeilijk te verminderen’ industrieën aanzienlijk te verminderen.

De huidige experimentele technologieën voor het afvangen en omzetten van koolstofdioxide zijn echter twee afzonderlijke processen die op zichzelf grote hoeveelheden energie vereisen. Het MIT-onderzoeksteam hoopt de twee processen te combineren tot een geïntegreerd, veel energie-efficiënter systeem dat potentieel hernieuwbare energie zou kunnen gebruiken om koolstofdioxide uit geconcentreerde industriële hulpbronnen op te vangen en om te zetten.

Laatste onderzoeksresultaten over koolstofafvang en -conversie

In een studie die op 5 september in het tijdschrift ACSCatalysis werd gepubliceerd, onthullen onderzoekers de verborgen kracht van het opvangen en omzetten van koolstofdioxide via een enkel elektrochemisch proces. Het proces omvat het gebruik van elektroden om kooldioxide dat vrijkomt uit een adsorbens te absorberen en om te zetten in een gereduceerde, herbruikbare vorm.

Anderen hebben soortgelijke demonstraties gemeld, maar het mechanisme dat de elektrochemische reactie aandrijft blijft onduidelijk. Het MIT-team voerde talloze experimenten uit om deze driver te bepalen en ontdekte dat deze uiteindelijk afhangt van de partiële druk van kooldioxide. Met andere woorden: hoe zuiverder het kooldioxide dat in contact komt met de elektrode, des te efficiënter kan de elektrode kooldioxidemoleculen opvangen en omzetten.

Het begrijpen van deze primaire motor, of ‘actieve soort’, zou wetenschappers kunnen helpen soortgelijke elektrochemische systemen af ​​te stemmen en te optimaliseren om koolstofdioxide efficiënt op te vangen en om te zetten in een geïntegreerd proces.

De resultaten van deze studie suggereren dat, hoewel deze elektrochemische systemen misschien niet geschikt zijn voor zeer ijle omgevingen (bijvoorbeeld het opvangen en omzetten van koolstofemissies rechtstreeks uit de lucht), ze wel geschikt zijn voor de hoge concentraties van emissies die worden geproduceerd door industriële processen, met name die waarvoor geen duidelijke hernieuwbare alternatieven bestaan.

“We kunnen en moeten overstappen op hernieuwbare energie voor de opwekking van elektriciteit”, zegt studieauteur Betar Gallant, MIT Career Development Associate Professor 1922. “Maar het diepgaand koolstofvrij maken van industrieën zoals de cement- of staalproductie is een uitdaging en zal langer duren. Zelfs als we alle energiecentrales buiten gebruik stellen, zullen we op korte termijn enkele oplossingen nodig hebben om de uitstoot in andere industrieën aan te pakken voordat we die industrieën volledig kunnen koolstofvrij maken. Dat is waar we een goede plek zien, en zoiets als dit systeem zou in die goede plek kunnen passen.”

Tot de co-auteurs van het MIT behoren hoofdauteur, postdoc Graham Leverick en afgestudeerde student Elizabeth Bernhardt, evenals Athea Iliani-Esse van de Sunway Universiteit in Maleisië. Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman en Mohamed Kheireddine Aroua.

Leer meer over het koolstofafvangproces

Koolstofafvangtechnologie is ontworpen om emissies, of "rookkanalen", uit de schoorstenen van energiecentrales en productiefaciliteiten op te vangen. De emissies worden, voornamelijk via grote aanpassingen, naar een kamer gestuurd die een "opvang" -oplossing bevat (een mengsel van aminen of aminoverbindingen die chemisch combineren met kooldioxide om een ​​stabiele vorm te creëren die kan worden gescheiden van de rest van het rookgas).

Het opgevangen koolstofdioxide wordt vervolgens behandeld met hoge temperaturen, vaak met behulp van stoom die wordt gegenereerd uit fossiele brandstoffen, om het opgevangen koolstofdioxide uit zijn aminebindingen vrij te maken. Zuiver kooldioxidegas kan in opslagtanks of ondergronds worden gepompt, gemineraliseerd of verder omgezet in chemicaliën of brandstoffen.

"Koolstofafvang is een volwassen technologie en de chemie is ongeveer 100 jaar oud, maar er zijn hele grote installaties voor nodig en het gebruik ervan is vrij duur en energie-intensief", benadrukt Gallant. "Wat we nodig hebben is meer modulaire en flexibele technologie die zich kan aanpassen aan meer diverse bronnen van kooldioxide. Elektrochemische systemen kunnen dit probleem helpen oplossen."

Haar onderzoeksgroep bij MIT ontwikkelt een elektrochemisch systeem dat zowel opgevangen koolstofdioxide kan recyclen als het kan omzetten in gereduceerde, bruikbare producten. Een dergelijk geïntegreerd systeem, in plaats van een afzonderlijk systeem, zou volledig kunnen worden aangedreven door hernieuwbare energie in plaats van stoom die wordt opgewekt uit fossiele brandstoffen, zei ze.

Hun concept concentreert zich op een elektrode die in de holte van een bestaande oplossing voor koolstofafvang past. Wanneer er spanning op de elektrode wordt gezet, stromen elektronen naar de actieve vorm van koolstofdioxide en worden ze omgezet in producten met behulp van protonen die uit het water worden aangevoerd. Op deze manier kan het adsorbens meer koolstofdioxide absorberen in plaats van stoom te gebruiken om de koolstofdioxide te absorberen.

Gallant heeft eerder aangetoond dat dit elektrochemische proces koolstofdioxide kan opvangen en omzetten in een vaste carbonaatvorm. "We hebben in zeer vroege concepten laten zien dat dit elektrochemische proces mogelijk was", zei ze. "Sindsdien zijn er andere onderzoeken geweest die zich richtten op het gebruik van dit proces om nuttige chemicaliën en brandstoffen te produceren, maar er is een inconsistente uitleg gegeven over hoe deze reacties werken."

De rol van "kooldioxide alleen"

In de nieuwe studie gebruikte het MIT-onderzoeksteam een ​​vergrootglas om de specifieke reacties te observeren die elektrochemische processen aansturen. In het laboratorium genereerden ze amineoplossingen die vergelijkbaar waren met industriële afvangoplossingen die worden gebruikt om kooldioxide uit rookgassen te halen. Ze varieerden methodisch verschillende eigenschappen van elke oplossing, zoals pH, concentratie en type amine, en lieten elke oplossing vervolgens door een zilverelektrode lopen, een metaal dat veel wordt gebruikt in elektrolyseonderzoek en waarvan bekend is dat het kooldioxide efficiënt omzet in koolmonoxide. Vervolgens maten ze de concentratie koolmonoxide die aan het einde van de reactie was omgezet en vergeleken dat getal met dat van elk van de andere oplossingen die ze testten om te bepalen welke parameter de grootste invloed had op de geproduceerde hoeveelheid koolmonoxide.

Uiteindelijk ontdekten ze dat wat er het meest toe deed, niet het type amine was dat werd gebruikt om de koolstofdioxide op te vangen, zoals velen vermoedden. Wat veeleer het belangrijkst is, is de concentratie van vrij zwevende koolstofdioxidemoleculen in de oplossing die binding aan aminen vermijdt. Dit "kooldioxide alleen" bepaalt de uiteindelijke concentratie van het geproduceerde koolmonoxide.

"We ontdekten dat dit 'alleen' CO2 gemakkelijker reageert dan CO2 dat door aminen wordt opgevangen," zei Leverick. "Dit vertelt toekomstige onderzoekers dat dit proces haalbaar is in industriële stromen en op efficiënte wijze hoge concentraties CO2 kan opvangen en omzetten in nuttige chemicaliën en brandstoffen."

"Dit is geen verwijderingstechnologie, wat belangrijk is", benadrukt Gallant. "De waarde die het met zich meebrengt is dat het ons in staat stelt CO2 vele malen te recyclen terwijl de bestaande industriële processen behouden blijven, waardoor de bijbehorende uitstoot wordt verminderd. Uiteindelijk is het mijn droom om elektrochemische systemen te gebruiken om de mineralisatie en permanente opslag van CO2 te bevorderen, wat een echte verwijderingstechnologie is. Dit is een visie voor de langere termijn. En veel van de wetenschap die we beginnen te begrijpen, is de eerste stap in het ontwerpen van deze processen."