Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности

Прямое улавливание воздуха — один из семи химических способов разделения, которые изменят мир. Это связано с тем, что углекислый газ является основным фактором изменения климата, но его выделение из атмосферы сложно из-за низкой концентрации, — около 0,04%.

Профессор Ян Меткалф, ведущий исследователь из Университета Ньюкасла (Великобритания), объясняет сложность выделения углекислого газа двумя причинами:

• Низкая концентрация замедляет химические реакции, направленные на удаление компонента.
• Для концентрирования компонента требуется много энергии.

Исследователи из Ньюкасла совместно с коллегами из других университетов решили эти проблемы с помощью нового мембранного процесса. Они использовали естественные перепады влажности, чтобы выкачивать углекислый газ из воздуха, решив таким образом энергетическую проблему. А наличие воды ускорило транспортировку углекислого газа через мембрану, решив кинетическую задачу.

Работа опубликована в журнале Nature Energy.

Доктор Грег А. Матч из Королевской инженерной академии при Школе инженерии Университета Ньюкасла (Великобритания) говорит, что ключевой частью энергетической системы будущего станет прямой захват воздуха. Это поможет улавливать выбросы углекислого газа от мобильных источников, которые трудно декарбонизировать другими способами.

В своей работе учёные создали первую синтетическую мембрану, которая может улавливать углекислый газ из воздуха и повышать его концентрацию без затрат энергии. По словам доктора Матча, это похоже на водяное колесо на мельнице: как вода движется вниз по склону и вращает колесо, так и углекислый газ будет откачиваться из воздуха с помощью мембраны.

Процессы разделения

Процессы разделения лежат в основе большинства аспектов современной жизни: от продуктов питания до лекарств и топлива. Большинство используемых нами продуктов прошли через несколько этапов разделения.

Эти процессы важны для минимизации отходов и восстановления окружающей среды, например, прямого улавливания углекислого газа в воздухе.

В экономике замкнутого цикла процессы разделения станут ещё более важными. Прямой захват воздуха может использоваться для получения углекислого газа — сырья для производства многих углеводородных продуктов в рамках углеродно-нейтрального или даже углеродно-отрицательного цикла.

Для достижения климатических целей, таких как цель в 1,5 °C из Парижского соглашения, необходимо не только переходить на возобновляемые источники энергии и улавливать углерод из точечных источников (например, электростанций), но и напрямую улавливать его из воздуха.

Мембрана с влажным управлением

Доктор Эвангелос Папаиоанну, старший преподаватель инженерного факультета Ньюкаслского университета (Великобритания), рассказал, что команда протестировала новую мембрану, проницаемую для углекислого газа. Они подавали через неё разные перепады влажности. Когда влажность на стороне выхода мембраны была выше, она перекачивала углекислый газ в этот поток.

Используя рентгеновскую микрокомпьютерную томографию, команда вместе с коллегами из Калифорнийского и Оксфордского университетов смогла точно описать структуру мембраны. Это позволило сравнить её характеристики с другими современными мембранами.

Мы смоделировали на молекулярном уровне процессы, происходящие в мембране. С помощью расчётов по теории функционала плотности мы определили «переносчиков» внутри мембраны.

Этот носитель переносит углекислый газ и воду уникальным образом — ничего больше. Вода нужна для высвобождения углекислого газа из мембраны, а углекислый газ — для высвобождения воды. Благодаря разнице влажности можно использовать энергию для перемещения углекислого газа через мембрану от низкой концентрации к более высокой.

Профессор Меткалф добавляет:

Это была командная работа в течение нескольких лет. Мы благодарны нашим коллегам и организациям, которые нас поддерживали.

19.07.2024