Badacz Lehigh Engineering, Arup SenGupta, opracował nowatorski sposób wychwytywania dwutlenku węgla z powietrza i przechowywania go w „nieskończonym zbiorniku” oceanu.
Podejście to wykorzystuje innowacyjny filtr polimerowy zawierający miedź i zasadniczo przekształca CO2 w wodorowęglan sodu (inaczej sodę oczyszczoną), który może być uwalniany do oceanu w sposób nieszkodliwy. Ten nowy hybrydowy materiał lub filtr nazywa się DeCarbonHIX (tj. dekarbonizacja poprzez hybrydowy materiał jonowymienny) i został opisany w artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie Science Advances.
Badania, które wykazały 300-procentowy wzrost ilości wychwytywanego dwutlenku węgla w porównaniu z istniejącymi metodami bezpośredniego wychwytywania powietrza, przyciągnęły międzynarodową uwagę mediów, takich jak BBC, CNN, Fast Company i The Daily Beast, oraz organizacji zawodowych, takich jak American Towarzystwo Chemiczne. Sam SenGupta zainteresował się technologią firm z Brazylii, Irlandii i Bliskiego Wschodu.
“Kryzys klimatyczny jest problemem międzynarodowym” – mówi SenGupta, profesor inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz inżynierii lądowej i środowiskowej w PC Rossin College of Engineering and Applied Science w Lehigh. „Wierzę, że naszym obowiązkiem jest zbudowanie technologii bezpośredniego przechwytywania powietrza w taki sposób, aby mogła być wdrażana przez ludzi i kraje na całym świecie. Każdy, kto potrafi obsługiwać telefon komórkowy, powinien być w stanie obsługiwać ten proces. To nie jest technologia dla zarabianie pieniędzy. Służy do ratowania świata”.
Ta praca jest kolejnym rozszerzeniem osobistego i zawodowego zaangażowania SenGupty w rozwój technologii przynoszących korzyści ludzkości, aw szczególności społecznościom zmarginalizowanym na całym świecie. Jego badania nad nauką i technologią wody obejmowały metodologie uzdatniania wody pitnej, odsalanie, ponowne wykorzystanie ścieków komunalnych i odzyskiwanie zasobów. Wynalazł pierwszy nanomateriał hybrydowy wymieniacz anionowy wielokrotnego użytku, selektywny wobec arsenu (HAIX-Nano), dzięki czemu ponad dwa miliony ludzi na całym świecie pije wodę bezpieczną dla arsenu. Dwa z jego patentów zostały uznane przez Urząd Patentów i Znaków Towarowych Stanów Zjednoczonych za „Patenty dla ludzkości”.
Jego wynalazek DeCarbonHIX był wynikiem trwającego projektu odsalania ścieków napędzanego CO2, finansowanego przez Bureau of Reclamation pod jurysdykcją Departamentu Spraw Wewnętrznych USA. SenGupta i jego uczniowie szukali niezawodnych źródeł CO2 nawet w odległych miejscach. Ta misja doprowadziła do dziedziny bezpośredniego przechwytywania powietrza lub DAC i stworzenia DeCarbonHIX. Temat ten był tematem pracy doktorskiej studenta inżynierii środowiska Hao Chen ’23, który z powodzeniem obronił doktorat w marcu, a doktorat otrzyma w maju.
Wychwytywanie węgla w niższych stężeniach
Najobficiej występującym gazem cieplarnianym przyczyniającym się do globalnego ocieplenia jest dwutlenek węgla. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej w 2021 roku globalna emisja CO2 wzrosła o 6 procent w porównaniu z rokiem poprzednim – do 36,3 gigaton. Tylko jedna gigaton (równa 1 miliardowi ton) odpowiada masie wszystkich ssaków lądowych na Ziemi.
Według Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu emisje gazów cieplarnianych spowodowały wzrost globalnych temperatur o około 1,1 stopnia Celsjusza w stosunku do poziomu sprzed epoki przemysłowej. W swoim raporcie grupy roboczej z 2021 r. IPCC szacuje, że średnia roczna temperatura w ciągu najbliższych 20 lat ma wzrosnąć o co najmniej 1,5 stopnia Celsjusza. Im cieplejsza staje się ziemia, tym większe są skutki podnoszącego się poziomu mórz, ekstremalnych burz i zakłóceń ekologicznych, z których wszystkie mają wpływ na globalne zdrowie, bezpieczeństwo i stabilność.
„Najgorsze w tym kryzysie jest to, że ludzie zmarginalizowani, biedni, będą cierpieć 10 razy bardziej niż ci, którzy przyczynili się do tej sytuacji” – mówi SenGupta.
Mówi, że istnieją trzy sposoby na zmniejszenie emisji CO2. Pierwsza – działanie rządu – może zmniejszyć emisje, ale nie rozwiąże problemu tego, co już jest w powietrzu.
„Drugim sposobem jest usunięcie go ze źródeł punktowych, miejsc takich jak kominy i kominy, z których emitowany jest ogromny dwutlenek węgla” – mówi. „Dobrą rzeczą jest to, że można go usunąć przy bardzo wysokich stężeniach, ale jest on ukierunkowany tylko na emisje z określonych źródeł”.
Najnowsza metoda nazywa się bezpośrednim wychwytywaniem powietrza, co, jak mówi, „pozwala usuwać CO2 z dowolnego miejsca, nawet z własnego podwórka”.
W przypadku DAC procesy chemiczne usuwają CO2 z atmosfery, po czym zwykle jest on składowany pod ziemią. Jednak, jak mówi SenGupta, technologia jest ograniczona przez jej pojemność. Nie jest w stanie wychwycić wystarczającej ilości CO2, aby pokryć koszty energii związane z prowadzeniem procesu.
“Jeśli wychwytujesz dwutlenek węgla z komina w zakładzie, ilość CO2 w powietrzu może wynosić nawet 100 000 części na milion” – mówi. „Przy takim stężeniu jest łatwy do usunięcia. Ale ogólnie rzecz biorąc, poziom CO2 w powietrzu wynosi około 400 części na milion. To bardzo dużo z punktu widzenia zmian klimatu, ale dla celów usuwania uważamy, że jest bardzo rozcieńczony. Obecne materiały filtracyjne po prostu nie są w stanie zebrać jej wystarczającej ilości”.
Kolejnym wyzwaniem związanym z DAC jest pamięć masowa. Po wychwyceniu CO2 zostaje rozpuszczony, poddany ciśnieniu, upłynniony i zwykle składowany wiele kilometrów pod ziemią. Operacja DAC musi być wówczas zlokalizowana na obszarze o wystarczającej ilości składowania geologicznego – i stabilności. Na przykład kraj taki jak Japonia nie może pompować CO2 pod ziemię, ponieważ obszar ten jest podatny na trzęsienia ziemi.
Widząc rozwiązanie w wodzie morskiej
SenGupta opracowała metodę DAC, która przezwycięża zarówno problem przechwytywania, jak i kwestię przechowywania.
Aby rozwiązać problem wychwytywania, opracował DeCarbonHIX – wytrzymały mechanicznie, stabilny chemicznie sorbent (materiał używany do pochłaniania cieczy lub gazów) – zawierający miedź.
“Miedź zmienia nieodłączną właściwość macierzystego materiału polimerowego i zwiększa zdolność wychwytywania o 300 procent” – mówi. „Pokazaliśmy, że przy bezpośrednim wychwytywaniu powietrza z powietrza zawierającego 400 części na milion CO2 osiągamy wydajność, co oznacza, że wydajność nie jest już funkcją ilości dwutlenku węgla w powietrzu. Filtr zostanie całkowicie nasycony przy dowolnym stężeniu, co oznacza, że możesz wykonać DAC na swoim podwórku, na środku pustyni lub na środku oceanu”.
Ocean jest tak naprawdę rozwiązaniem SenGupty na problem przechowywania. Jego proces DAC rozpoczyna się od przedmuchania powietrza przez filtr w celu wychwytywania CO2. Po nasyceniu filtra cząsteczkami gazu (co określa się mierząc ilość gazu wchodzącego do filtra w stosunku do wychodzącego z niego), woda morska przepuszczana jest przez filtr. Woda morska przekształca dwutlenek węgla w wodorowęglan sodu (prawdopodobnie znasz go jako sodę oczyszczoną, ale tracisz wygląd, ponieważ mówimy tutaj o rozpuszczonym roztworze). Rozpuszczony wodorowęglan sodu jest następnie uwalniany bezpośrednio do oceanu, co Sengupta nazywa „nieskończonym zlewem”.
„I nie ma to żadnego negatywnego wpływu na ocean” – mówi SenGupta. „To wcale nie zmienia zasolenia”.
W rzeczywistości, mówi, wodorowęglan sodu, który jest lekko zasadowy, może poprawić zdrowie oceanu. To dlatego, że podwyższony poziom CO2 w atmosferze stopniowo obniżył pH oceanu, powodując zakwaszenie. Bardziej kwaśne wody szkodzą wzrostowi i rozmnażaniu organizmów morskich, takich jak koralowce i plankton, i mogą powodować katastrofalne załamania w łańcuchu pokarmowym.
“Wodorowęglan sodu może odwrócić to obniżenie pH” – mówi.
Warto zauważyć, mówi, że podobnie jak istniejące procesy DAC, DeCarbonHIX można również desorbować gorącą wodą lub parą, a czysty CO2 można odzyskiwać, sprężać i przechowywać pod ziemią w geologicznych magazynach.
„W rzeczywistości ten nowy materiał filtracyjny oferuje podwójny tryb desorpcji i sekwestracji”.