Nový materiál dramaticky znižuje energetickú náročnosť zachytávania uhlíka

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Uhlíkové materiály uvoľňujú zachytený plyn už pri teplote pod 60 °C.

• Inžinieri dosiahli selektivitu zachytávania emisií na úrovni 82 %.

• Systém využíva bežné odpadové teplo, čím šetrí financie.

Súčasné snahy o spomalenie klimatických zmien narážajú pri zachytávaní emisií na problém vysokej energetickej náročnosti. Priemyselné podniky ročne vyprodukujú miliardy ton plynov, no konvenčné metódy ich filtrácie spotrebujú veľké množstvo energie. Komerčné systémy sa dnes spoliehajú na procesy s kvapalnými amínmi, ktoré vyžadujú zahrievanie nad 100 °C na uvoľnenie plynu.

Tento tepelný postup predražuje prevádzku a obmedzuje masové nasadenie technológie v praxi. Výskumníci z univerzity v meste Čiba preto vyvinuli pevnú alternatívu. Tím sa zameral na materiály nazývané viciazity, ktoré umožňujú presnú kontrolu atómov dusíka v uhlíkovej štruktúre.

Uhlík je pre filtráciu vhodný vďaka nízkej cene a veľkej ploche povrchu, zatiaľ čo dusík zlepšuje väzbu plynu. Doterajšie metódy rozmiestňovali dusíkové skupiny náhodne, čo sťažovalo optimalizáciu celého procesu filtrácie. Japonskí inžinieri nedostatok odstránili a vytvorili štruktúry, kde atómy sedia priamo vedľa seba v presných konfiguráciách.

Cieleným inžinierstvom vznikli 3 odlišné varianty tohto filtračného materiálu. Prvý variant obsahuje susediace primárne amínové skupiny a jeho výroba prebieha s využitím koronénu, brómu a amoniaku. Tento konkrétny materiál dosiahol v laboratórnych podmienkach priamu selektivitu 76 %.

Ďalšie dve verzie využívajú odlišné východiskové suroviny na vytvorenie iných chemických usporiadaní. Týmto spôsobom vznikol materiál obsahujúci susediaci pyrolový dusík s celkovou selektivitou 82 %. Posledná zlúčenina využila pyridínový dusík, ktorý dosiahol úspešnosť na úrovni 60 %.

Štruktúru materiálov upevnených na aktívne uhlíkové vlákna overila nukleárna magnetická rezonancia a röntgenová fotoelektrónová spektroskopia. Počítačové modelovanie následne potvrdilo, že atómy sú presne na svojich miestach. Testy ukázali, že amínová aj pyrolová konfigurácia zlepšujú pohlcovanie emisií v porovnaní s bežným uhlíkom.

Pyridínová verzia naopak nepriniesla zmenu v celkovej účinnosti pohlcovania. Najvýraznejší rozdiel medzi materiálmi sa prejavil pri kľúčovej fáze regenerácie. Skupiny so susediacimi amínmi dokážu uvoľniť väčšinu zachyteného plynu pri teplotách pod 60 °C.

Táto nízka teplota umožňuje systémom využívať bežné odpadové teplo z priemyselných prevádzok. Podniky tak nemusia vynakladať ďalšiu energiu na dodatočné zahrievanie kvapalín. Zachytený plyn sa následne môže trvalo uložiť pod zem alebo využiť pri výrobe palív.

Pyrolová verzia vyžaduje na regeneráciu vyššiu teplotu, ale vykazuje lepšiu dlhodobú chemickú stabilitu. Presne ladená povrchová chémia nájde uplatnenie aj pri odstraňovaní kovových iónov alebo v priemyselnej katalýze. Nasadenie pevných adsorbentov predstavuje overenú cestu k lacnejším a efektívnejším technológiám pre životné prostredie.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ: Zníženie pracovnej teploty umožňuje poháňať zachytávanie emisií odpadovým teplom, čo radikálne znižuje prevádzkové náklady.

Zdroj: techspot.com foto: ChatGPT