Wymiatacz
Naukowcy i inżynierowie opracowują ogromne maszyny służące do pochłaniania dwutlenku węgla z atmosfery. Wymagają one dużo energii i pieniędzy – nawet 1000 dolarów za tonę wychwyconego CO2. Zespół chemików z University of California w Berkeley opracował substancję, która może znacznie zwiększyć wydajność tych urządzeń.
Szczegółowe analizy wskazują, że aby osiągnąć cele klimatyczne, świat będzie musiał usuwać znacznie więcej CO2 z atmosfery, niż robi to obecnie. Stany Zjednoczone zainwestowały miliardy dolarów w start-upy rozwijające metody bezpośredniego wychwytu dwutlenku węgla z powietrza (direct air-capture, DAC), w których wykorzystuje się wentylatory do przepuszczania powietrza przez związki zasadowe wiążące dwutlenek węgla. W procesie tym stosuje się czasami ług, wapno gaszone, a także aminy – związki chemiczne produkowane zazwyczaj z amoniaku.
Jako alternatywne rozwiązanie doktorantka Zihui Zhou i profesor Omar Yaghi z U.C. Berkeley wbudowali aminy w związek krystaliczny o ogromnej powierzchni, zwany kowalencyjnym szkieletem organicznym (covalent organic framework, COF). Otrzymany proszek, COF-999, jest mikroskopijnym rusztowaniem z węglowodorów, utrzymywanym przez niezwykle silne wiązania węgiel-azot i węgiel-węgiel, podobne do występujących w diamentach.
Aminy umieszczone w otwartych przestrzeniach rusztowania wychwytują mijające je cząsteczki CO2. Kiedy Zhou i Yaghi przepuścili powietrze przez rurę wypełnioną COF-999, proszek wychwycił CO2 w najszybszym tempie, jakie kiedykolwiek zmierzono – jak podali badacze w czasopiśmie „Nature”. „Oczyściliśmy powietrze z CO2 całkowicie” – mówi Yaghi.
Oprócz sprzętu największym kosztem w technologii DAC jest często energia potrzebna do podgrzania materiału absorbującego, aby uwolnił przechwycony CO2, który następnie jest gromadzony w zbiornikach i wprowadzany pod ziemię lub sprzedawany zakładom przemysłowym.
COF-999 uwolnił CO2 po podgrzaniu do zaledwie 60oC, co jest znacznie niższą temperaturą niż ponad 100oC wymagane w obecnych instalacjach DAC. Następnie zespół ponownie wykorzystał proszek do wychwytywania kolejnych porcji CO2. Po ponad 100 cyklach „wychwyć-uwolnij” nie zanotowano znaczącego spadku chłonności, podają autorzy badania.
Związek COF-999 może również konkurować z płynnymi aminami używanymi w procesach wychwytu i magazynowania węgla stosowanych w kominach rafinerii i elektrowni, twierdzi Yaghi. „Jest wystarczająco lekki – 200 g proszku może w ciągu roku pochłonąć tyle CO2, ile duże drzewo – by można go było używać także na statkach, by usuwać węgiel ze spalin.”
Firmy już teraz produkują podobne materiały, tzw. metaliczne szkielety organiczne, używane do wychwytywania CO2 wydobywającego się z kominów, a także w maskach chroniących przed szkodliwymi chemikaliami. W tych strukturach krystalicznych supermocne wiązania tworzą nie węglowodory, ale związki metali. Jednak Yaghi, który prowadzi firmę produkującą oba rodzaje materiałów, mówi, że COF-999 może być trwalszy, odporniejszy na wilgoć i wydajniejszy w usuwaniu CO2 niż najlepsze metaliczne szkielety organiczne.
W niedawnym badaniu opublikowanym w „Nature Communications” doniesiono, że inny kowalencyjny szkielet organiczny oparty na wiązaniach fosforanowych również ma potencjał wychwytywania węgla.
Proszek COF-999 nie został jeszcze przetestowany w rzeczywistych warunkach, zauważa Jennifer Wilcox, inżynier chemik z University of Pennsylvania, która wcześniej pracowała nad sposobami usuwania węgla w Departamencie Energii USA. Na przykład jeśli proszek zbytnio ogranicza przepływ powietrza po pokryciu nim filtra lub uformowaniu w granulki, może to zwiększyć zużycie energii wentylatorów tłoczących powietrze. Takie szczegóły techniczne, mówi Wilcox, „ostatecznie zdecydują o kosztach.”
Artykuł powstał przy współpracy z Pulitzer Center’s Ocean Reporting Network.