Исследователи из Университета штата Северная Каролина обнаружили, что они могут фильтровать углекислый газ из смесей воздуха и газа с многообещающей скоростью, используя предложенный новый фильтр на текстильной основе, который сочетает в себе хлопчатобумажную ткань и фермент под названием карбоангидраза — один из природных инструментов для ускорения химических реакций.
Результаты первоначальных лабораторных испытаний представляют собой шаг вперед в разработке возможной новой технологии улавливания углерода, которая могла бы сократить выбросы углекислого газа от электростанций, работающих на биомассе, угле или природном газе. И хотя фильтр необходимо будет значительно увеличить в размерах, исследователи считают, что их дизайн облегчит этот шаг по сравнению с другими предлагаемыми решениями.
«С помощью этой технологии мы хотим остановить выбросы углекислого газа в источнике, а электростанции в настоящее время являются основным источником выбросов углекислого газа», — сказал ведущий автор исследования Цзялонг Шен, научный сотрудник с докторской степенью в штате Северная Каролина. «Мы считаем, что основное преимущество нашего метода по сравнению с аналогичными исследованиями заключается в том, что наш метод можно легко масштабировать, используя традиционные текстильные производственные мощности».
Центральным элементом дизайна исследовательской группы для предлагаемого химического фильтра на текстильной основе является встречающийся в природе фермент карбоангидраза , который может ускорить реакцию, в которой углекислый газ и вода превращаются в бикарбонат, соединение в пищевой соде. Фермент играет важную роль в организме человека; он помогает транспортировать углекислый газ, чтобы его можно было выдыхать.
«Мы позаимствовали этот замечательный фермент в нашем процессе, чтобы ускорить поглощение углекислого газа в водном растворе », — сказал Шен.
Чтобы создать фильтр, исследователи прикрепили фермент к двухслойной хлопчатобумажной ткани , погрузив ткань в раствор, содержащий материал под названием хитозан, который действует как клей. Хитозан физически захватывает фермент, заставляя его прилипать к ткани.
Затем исследователи провели серию экспериментов, чтобы увидеть, насколько хорошо их фильтр будет отделять углекислый газ от воздушной смеси углекислого газа и азота, имитируя уровни выбросов электростанций. Они свернули ткань в спираль, чтобы ее можно было засунуть в трубочку. Они протолкнули газ через трубку вместе с раствором на водной основе. Когда углекислый газ реагировал с водой в растворе и ферментом, он превращался в бикарбонат и стекал по фильтру и трубке. Затем они захватили раствор бикарбоната и вывели его наружу.
Когда они пропускали воздух через фильтр со скоростью 4 литра в минуту, они могли удалить 52,3% углекислого газа с помощью одноярусного фильтра и 81,7% с двухъярусным фильтром. Хотя результаты многообещающие, им необходимо проверить фильтр на более высокие скорости потока воздуха, которые используются на коммерческих электростанциях. Для сравнения, полномасштабная операция должна обрабатывать более 10 миллионов литров дымовых газов в минуту. Исследователи работают с коллегами, чтобы протестировать в большем масштабе и сравнить свою технологию с другими изучаемыми сопоставимыми технологиями.
«Эта история все еще продолжается, но мы получили действительно захватывающие первые результаты», — сказала соавтор исследования Соня Сэлмон, доцент кафедры текстильной инженерии, химии и науки в штате Северная Каролина. «Мы добились очень значительного прогресса».
Помимо проверки степени улавливания углерода фильтрами, они также проверили, насколько хорошо фильтр будет работать после пяти циклов промывки, сушки и хранения. Они обнаружили, что это может поддерживать высокий уровень производительности.
«Фермент можно хранить при более низкой температуре в течение очень долгого времени, и он будет долговечным», — сказал Шен. «Ткань обеспечивает физическую поддержку и структуру, обеспечивая при этом большую площадь поверхности для реакции с углекислым газом».
Улавливание углекислого газа — это только часть процесса. Они также работают над проблемой повторного использования жидкости после ее выхода из фильтра, а также над процессом превращения бикарбоната обратно в углекислый газ, чтобы его можно было хранить и использовать. утилизируются или используются в других коммерческих целях.
«Мы хотим регенерировать водный раствор, который мы используем с фильтром, чтобы мы могли использовать его снова и снова», — сказал Сэлмон. «Эта сторона процесса требует дополнительной работы, чтобы сделать энергию регенерации растворителя как можно более низкой».
Исследователи говорят, что необходимы новые технологии улавливания углерода, которые требуют меньше энергии, чем существующие коммерческие технологии улавливания углерода, некоторые из которых используются только для фильтрации углекислого газа и его выпуска обратно в атмосферу. Они надеются, что их система улавливания углерода поможет снизить стоимость и ускорить внедрение.
«Существует множество различных способов улавливания углекислого газа», — сказал Шен. «Текущий стандарт в коммерческих условиях использует реакцию, которая настолько быстра, настолько надежна и так хорошо связывает углекислый газ, что вы не можете легко удалить углекислый газ . Вы должны использовать очень высокие температуры, что означает большое потребление энергии. Это делает ваш процесс более дорогим».
Исследование «Карбоангидраза, иммобилизованная на текстильной структурированной упаковке с использованием улавливания хитозана для улавливания CO 2 » было опубликовано в Интернете в ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Теги: экология
