211service.com
Ett bättre sätt att fånga kol
Forskare har utvecklat porösa material som kan suga upp 80 gånger deras volym av koldioxid, vilket erbjuder den lockande möjligheten att växthusgasen kan skuras billigt från kraftverks skorstenar. Efter att koldioxiden har absorberats av de nya materialen kan den frigöras genom tryckförändringar, komprimeras och slutligen pumpas under jord för långtidslagring.
Kolfångande kristaller: Detta är en optisk mikrofotografi av ett nytt material som kan dra koldioxid från en ström av gaser, vilket gör det möjligt att binda växthusgasen.
Sådan avskiljning och lagring av koldioxid kan vara avgörande för att minska utsläppen av växthusgaser, särskilt i länder som USA som är starkt beroende av kol för el. Det första steget, att fånga upp kolet, är särskilt viktigt, eftersom det kan stå för 75 procent av de totala kostnaderna, enligt energidepartementet .
Det nya materialet, som beskrivs denna vecka i Vetenskap , skapades av forskare vid UCLA under ledning av Omar Yaghi , en kemist känd för att producera material med invecklade mikroskopiska strukturer. De absorberar stora mängder koldioxid men tar inte upp andra gaser.
Det finns redan tekniker för att fånga upp koldioxid från skorstenar, men de använder stora mängder energi – 15 till 20 procent av den totala elproduktionen från ett kraftverk, enligt en uppskattning, säger Yaghi. Det beror på att befintliga material, kända som aminer, måste värmas upp för att frigöra koldioxiden som de har absorberat. Faktum är att fånga och komprimera koldioxid med dessa befintliga metoder kan lägga 80 till 90 procent till kostnaden för att producera el från kol, säger Thomas Feeley, projektledare på Nationella energitekniklaboratoriet .
Feeley säger att Yaghis material jämförs med andra experimentella material som absorberar koldioxid som utvecklas för att hjälpa till att sänka dessa kostnader. Yaghi säger att hans material kan sänka kostnaderna avsevärt eftersom de använder mindre energi, även om exakt hur mycket kommer att kräva att materialen testas i kraftverk.
Förutom att vara potentiellt användbara i skorstenar, kan materialen användas i kolförgasningsanläggningar. I dessa anläggningar bearbetas kol först för att producera en blandning av koldioxid och vätgas. Vätgasen används sedan för att generera elektricitet. Koldioxiden skulle kunna fångas upp med hjälp av ett lösningsmedel som ökar energiförbrukningen. Men som i den skorstensbaserade processen kan de nya UCLA-materialen kräva mindre energi.
Materialen tillhör en klass som kallas zeolitiska imidazolat-ramverk (ZIF). De är gjorda av metallatomer överbryggade av en av ett antal ringformade organiska molekyler som kallas imidazolater. Före Yaghis forskning hade 24 typer av ZIF utvecklats under loppet av 12 år. Yaghi gjorde 25 nya versioner på bara tre månader. Dessa material kan vara extremt mångsidiga, eftersom metallatomerna kan fungera som kraftfulla katalysatorer och de organiska molekylerna kan fungera som ankare för ett antal funktionella molekyler.
ZIF-spridning: Nya automatiserade tekniker gör det möjligt för forskare att snabbt syntetisera dussintals nya material som kallas zeolitiska imidazolat-ramverk (ZIF). Kredit: Omar Yaghi
De nya materialen absorberar koldioxid delvis för att de är extremt porösa, vilket ger dem en stor yta som kan komma i kontakt med koldioxidmolekyler. Det mest porösa av materialen som Yaghi rapporterar i Vetenskap innehåller nästan 2 000 kvadratmeter yta packad i ett gram material. En liter av ett av Yaghis material kan lagra alla koldioxidmolekyler som vid noll °C och vid omgivningstryck skulle ta upp en volym på 82,6 liter.
Även om de exakta mekanismerna inte är helt klarlagda, tror Yaghi att den något negativa laddningen av organiska molekyler i hans material attraherar koldioxidmolekyler, som har en något positiv laddning. Som ett resultat hålls koldioxid på plats, medan andra gaser rör sig genom materialet. Denna metod för att fånga koldioxid är bättre än vissa andra metoder eftersom den inte involverar starka kovalenta bindningar, så det tar inte mycket energi att frigöra gasen.
Nästa steg för materialen är kommersialisering. Det innebär att skala upp produktionen och införliva materialen i ett system vid ett kraftverk, till exempel genom att packa materialen i kapslar som kan fyllas med trycksatta avgaser – något som UCLA-gruppen säger kan vara möjligt om två till tre år. Yaghi uppskattar att materialen lätt skulle kunna tillverkas i stora mängder, eftersom de liknar andra material han har utvecklat som nu kan tillverkas i ton av BASF , det gigantiska kemiföretaget. Nu ligger det i industrins händer, säger Yaghi. Och han har utvecklat automatiserade tekniker som kan leda till fler material som kan ha ännu bättre egenskaper.