Nyt bomuldsstofbaseret filter fra NCSU viser løfte som CO2-fjerner

Udgivelsesdato: 3. juni 2022

North Carolina State University-forskere fandt ud af, at de kunne filtrere kuldioxid fra luft- og gasblandinger med lovende hastigheder ved hjælp af et foreslået nyt tekstilbaseret filter, der kombinerer bomuldsstof og et enzym kaldet kulsyreanhydrase – et af naturens værktøjer til at fremskynde kemiske reaktioner.

Det fund fra indledende laboratorietest repræsenterer et skridt fremad i udviklingen af en mulig ny kulstoffangstteknologi, der kan reducere kuldioxidemissioner fra biomasse-, kul- eller naturgaskraftværker. Og selvom filteret skulle skaleres betydeligt op i størrelse, mener forskerne, at deres design ville gøre dette trin lettere sammenlignet med andre foreslåede løsninger.

"Med denne teknologi ønsker vi at stoppe kuldioxidemissioner ved kilden, og kraftværker er hovedkilden til kuldioxidemissioner lige nu," sagde undersøgelsens hovedforfatter Jialong Shen, postdoc forsker ved NC State. "Vi mener, at den største fordel ved vores metode sammenlignet med lignende målrettet forskning er, at vores metode nemt kan skaleres op ved hjælp af traditionelle tekstilfremstillingsfaciliteter."

Midtpunktet i forskerholdets design for et foreslået tekstilbaseret kemisk filter er det naturligt forekommende enzym kulsyreanhydrase, som kan fremskynde en reaktion, hvor kuldioxid og vand bliver til bikarbonat, en forbindelse i bagepulver. Enzymet spiller en vigtig rolle i den menneskelige krop; det hjælper med at transportere kuldioxid, så det kan udåndes.

"Vi lånte dette vidunderlige enzym i vores proces for at fremskynde kuldioxidoptagelsen i en vandig opløsning," sagde Shen.

For at skabe filteret fastgjorde forskerne enzymet til et to-lags bomuldsstof ved at dyppe stoffet i en opløsning indeholdende et materiale kaldet chitosan, der fungerer som en lim. Chitosan fanger fysisk enzymet, hvilket får det til at klæbe til stoffet.

Forskerne kørte derefter en række eksperimenter for at se, hvor godt deres filter ville adskille kuldioxid fra en luftblanding af kuldioxid og nitrogen, hvilket simulerede niveauer udsendt af kraftværker. De rullede stoffet til en spiral, så det kan skubbes ind i et rør. De skubbede gassen gennem røret sammen med en vandbaseret opløsning. Da kuldioxiden reagerede med vandet i opløsningen og enzymet, blev det til bikarbonat og dryppede ned i filteret og røret. Derefter fangede de bikarbonatopløsningen og ledede den ud.

Når de pressede luft gennem filteret med en hastighed på 4 liter i minuttet, kunne de trække 52.3% kuldioxid ud med et enkeltstablet filter og 81.7% med et dobbeltstablet filter. Mens resultaterne er lovende, skal de teste filteret mod de hurtigere luftstrømningshastigheder, der bruges i kommercielle kraftværker. Til sammenligning ville en fuldskaladrift skulle behandle mere end 10 millioner liter røggas i minuttet. Forskerne arbejder sammen med samarbejdspartnere for at teste i større skala og sammenligne deres teknologi med andre sammenlignelige teknologier, der er undersøgt.

"Det er en historie, der stadig er i gang, men vi fik nogle virkelig spændende indledende resultater," sagde undersøgelsens medforfatter Sonja Laks, lektor i tekstilteknik, kemi og videnskab ved NC State. "Vi har gjort meget betydelige fremskridt."

Udover at teste filtrenes kulstoffangsthastigheder, testede de også, hvor godt filteret ville fungere efter fem cyklusser med vask, tørring og opbevaring. De fandt ud af, at det kunne opretholde et højt præstationsniveau.

"Enzymet kan holdes ved en lavere temperatur i meget lang tid, og det vil være holdbart," sagde Shen. "Stoffet giver fysisk støtte og struktur til det, samtidig med at det giver et stort overfladeareal, så det kan reagere med kuldioxiden."

Opfangning af kuldioxiden er kun en del af processen – de arbejder også på problemet med, hvordan man genbruger væsken, efter den kommer ud af filteret, samt processen med at omdanne bikarbonatet tilbage til kuldioxid, så det kan opbevares og bortskaffes eller anvendes til andre kommercielle formål.

"Vi ønsker at regenerere den vandopløsning, vi bruger med filteret, så vi kan bruge det igen og igen," sagde Salmon. "Den side af processen kræver mere arbejde for at gøre opløsningsmidlets regenereringsenergi så lav som muligt."

Forskerne siger, at der er behov for nye teknologier til kulstoffangst, som ville kræve mindre energi end eksisterende kommercialiserede kulstoffangstteknologier, hvoraf nogle kun bruges til at filtrere kuldioxid og frigive det tilbage til atmosfæren. De håber, at deres CO2-opsamlingssystem kan hjælpe med at reducere omkostningerne og hjælpe med at øge adoptionen.

"Der er mange forskellige måder at fange kuldioxid på," sagde Shen. ”Den nuværende standard i kommercielle omgivelser bruger en reaktion, der er så hurtig, så robust, og som binder kuldioxiden så godt, at man ikke nemt kan få kuldioxiden ud. Du skal bruge meget høje temperaturer, hvilket betyder et stort energiforbrug. Det gør din proces dyrere.”

Undersøgelsen, "Carbonsyreanhydrase immobiliseret på tekstilstruktureret emballage ved hjælp af chitosanindfangning til CO2₂ Capture” var udgivet online i ACS Sustainable Chemistry & Engineering. Medforfattere omfattede Yue Yuan, som afsluttede sin ph.d. på Salmons hold. Undersøgelsen blev støttet af NC State og af Alliance for Sustainable Energy, administrerende og driftsansvarlig for National Renewable Energy Laboratory (NREL) for det amerikanske energiministerium gennem et Bioenergy Technologies Office (BETO)-finansieret projekt, som et samarbejde mellem NREL, NC State og University of Kentucky's Center for Applied Energy Research, ved hjælp af enzymer fra Novozymes.

Original artikelkilde: WRAL TechWire