Улавливание CO2: новый метод кристаллизации

Исследователи из Университета Торонто разработали инновационный метод улавливания углекислого газа (CO2) непосредственно из воздуха, который обещает значительно снизить затраты по сравнению с существующими технологиями.

Этот новый подход, названный кристаллизацией с помощью испарения карбонатов, использует пассивные процессы, такие как капиллярное действие и испарение, что позволяет избежать дорогостоящих этапов, присущих современным системам улавливания углерода.

«Технологии улавливания CO2 из отходящих газов и непосредственно из воздуха существуют десятилетиями, – комментирует профессор Дэвид Синтон, старший автор исследования. – Однако одним из главных сдерживающих факторов всегда была высокая стоимость. Наша команда сосредоточилась на радикальном снижении затрат, и именно этого добивается новый метод кристаллизации с помощью испарения карбонатов».

Доцент Донгха Ким, ведущий автор исследования, подчеркнул, что его мотивацией было упрощение существующих систем улавливания углерода.

«Один из способов улавливания углерода – использование сильнощелочного раствора, например, гидроксида калия. При контакте с воздухом CO2 из атмосферы реагирует с раствором, образуя растворенный карбонат калия», – объясняет Ким. – «Чтобы ускорить реакцию, необходимо максимизировать площадь контакта между воздухом и жидкостью. В самых передовых системах это достигается за счет увеличения поверхности: тонкий слой жидкости распределяется по пористому материалу со структурой, напоминающей пчелиные соты. Мощные вентиляторы прогоняют воздух через этот слой со скоростью около 1,5 метров в секунду».

Ким отмечает, что во многих регионах мира естественные ветра уже превышают эту скорость. Это натолкнуло его на мысль об использовании существующих ветровых потоков в более пассивной системе.

Предложенная им конструкция использует длинные нити из полипропиленового волокна. Один конец нити погружается в раствор гидроксида калия, который затем постепенно поднимается по волокнам за счет капиллярного эффекта. Когда ветер обдувает поверхность нитей, вода испаряется, концентрируя раствор гидроксида калия до очень высоких уровней.

«Благодаря очень тонкому слою высококонцентрированного гидроксида калия скорость реакции с углекислым газом значительно возрастает, – говорит Ким. – Мы можем улавливать углерод гораздо быстрее, чем в системах с более разбавленными растворами. Кроме того, образующийся карбонат калия не остается в растворе, а кристаллизуется прямо на поверхности волокон».

В результате образуются кристаллы, напоминающие «леденцы на палочке», получаемые из сильно концентрированных сахарных растворов схожим испарительным процессом. Твердая форма уловленного углерода дает еще одно преимущество.

«В обычных системах требуется удалять растворенный карбонат из раствора, чтобы его можно было использовать повторно, – поясняет Ким. – Обычно для этого добавляют другие химические вещества, например, кальций, чтобы получить нерастворимую соль, которую затем нужно отфильтровать. Благодаря нашей системе, где пассивное испарение создает очень концентрированный раствор, мы сразу получаем соль. Нам не нужно добавлять кальций или фильтровать; мы просто смываем ее водой, получая высококонцентрированный раствор карбоната калия».

Далее электрохимический процесс преобразует соли карбоната калия обратно в чистый газообразный CO2, одновременно регенерируя гидроксид калия для повторного использования. Полученный CO2 можно хранить, закачивать в подземные хранилища или перерабатывать в углеродное топливо и химикаты, такие как метанол, этанол, этилен и др.

В исследовании проведена технико-экономическая оценка, показавшая, что при масштабировании до промышленных объемов новая система может быть конкурентоспособной. Эксплуатационные расходы оказались сопоставимы с существующими системами, однако капитальные затраты могут быть снижены до 40%.

«При посещении промышленной установки по улавливанию углерода вы увидите два основных элемента: воздухоконтактный аппарат с вентиляторами и насосами, а также химический завод для регенерации раствора, – говорит Синтон. – Исключив оба этих компонента, можно существенно сэкономить».

Тем не менее, остаются нерешенные задачи. Одна из них – влажность воздуха; процесс более эффективен в сухом воздухе, что делает его более подходящим для одних условий, чем для других. Дополнительные трудности могут возникнуть при создании опытно-промышленной установки для дальнейшей валидации технологии.

Несмотря на это, команда уверена, что текущее исследование демонстрирует принцип работы, а дальнейшие усовершенствования могут повысить экономическую эффективность.

«Сложно предсказать окончательную стоимость, но мы точно знаем, что полипропиленовые волокна уже недороги и широко доступны, а пассивные процессы по своей сути проще и дешевле активных, – заключает Синтон. – В сочетании с научным открытием – тем, что наша система создает очень тонкий слой сверхконцентрированного раствора, ускоряющий реакцию улавливания углерода, – все это делает подход весьма перспективным».