Nytt bomullstygbaserat filter från NCSU visar lovande som CO2-borttagare
Publiceringsdatum:Forskare från North Carolina State University fann att de kunde filtrera koldioxid från luft- och gasblandningar i lovande hastigheter med hjälp av ett föreslaget nytt textilbaserat filter som kombinerar bomullstyg och ett enzym som kallas kolsyraanhydras – ett av naturens verktyg för att påskynda kemiska reaktioner.
De fynd från inledande laboratorietester representerar ett steg framåt i utvecklingen av en möjlig ny koldioxidavskiljningsteknik som kan minska koldioxidutsläppen från biomassa-, kol- eller naturgaskraftverk. Och även om filtret skulle behöva skalas upp i storlek avsevärt, tror forskarna att deras design skulle göra det steget lättare jämfört med andra föreslagna lösningar.
"Med den här tekniken vill vi stoppa koldioxidutsläppen vid källan, och kraftverk är den huvudsakliga källan till koldioxidutsläpp just nu", säger studiens huvudförfattare Jialong Shen, postdoktoral forskare vid NC State. "Vi tror att den största fördelen med vår metod jämfört med liknande riktad forskning är att vår metod lätt kan skalas upp med traditionella textiltillverkningsanläggningar."
Mittpunkten i forskargruppens design för ett föreslaget textilbaserat kemiskt filter är det naturligt förekommande enzymet kolsyraanhydras, som kan påskynda en reaktion där koldioxid och vatten förvandlas till bikarbonat, en förening i bakpulver. Enzymet spelar en viktig roll i människokroppen; det hjälper till att transportera koldioxid så att det kan andas ut.
"Vi lånade detta underbara enzym i vår process för att påskynda koldioxidupptaget i en vattenlösning," sa Shen.
För att skapa filtret fäste forskarna enzymet på ett tvålagers bomullstyg genom att doppa tyget i en lösning som innehåller ett material som kallas kitosan, som fungerar som ett lim. Kitosan fångar fysiskt enzymet, vilket gör att det fastnar på tyget.
Forskarna körde sedan en serie experiment för att se hur väl deras filter skulle separera koldioxid från en luftblandning av koldioxid och kväve, och simulera nivåer som släpps ut från kraftverk. De rullade tyget till en spiral så att det kan skjutas in i ett rör. De tryckte gasen genom röret, tillsammans med en vattenbaserad lösning. När koldioxiden reagerade med vattnet i lösningen och enzymet förvandlades den till bikarbonat och droppade ner i filtret och röret. Sedan fångade de bikarbonatlösningen och dirigerade ut den.
När de tryckte luft genom filtret med en hastighet av 4 liter per minut kunde de dra ut 52.3% koldioxid med ett enkelstaplat filter och 81.7% med ett dubbelstaplat filter. Medan resultaten är lovande måste de testa filtret mot de snabbare luftflödena som används i kommersiella kraftverk. Som jämförelse skulle en fullskalig verksamhet behöva behandla mer än 10 miljoner liter rökgas per minut. Forskarna arbetar med medarbetare för att testa i större skala och för att jämföra deras teknologi med andra jämförbara tekniker som studeras.
"Det är en historia som fortfarande pågår, men vi fick några riktigt spännande initiala resultat", säger studiens medförfattare Sonja Salmon, docent i textilteknik, kemi och vetenskap vid NC State. "Vi har gjort mycket betydande framsteg."
Förutom att testa filtrens kolavskiljningshastighet, testade de också hur bra filtret skulle fungera efter fem cykler av tvätt, torkning och förvaring. De fann att det kunde upprätthålla en hög prestandanivå.
"Enzymet kan hållas vid en lägre temperatur under mycket lång tid och det kommer att vara hållbart," sa Shen. "Tyget ger fysiskt stöd och struktur åt det, samtidigt som det ger en stor yta för att det ska reagera med koldioxiden."
Att fånga upp koldioxiden är bara en del av processen – de arbetar också med problemet med hur man återvinner vätskan efter att den lämnat filtret, samt processen att omvandla bikarbonatet tillbaka till koldioxid så att det kan lagras och kasseras eller används för andra kommersiella ändamål.
"Vi vill regenerera vattenlösningen vi använder med filtret så att vi kan använda det om och om igen," sa Salmon. "Den sidan av processen kräver mer arbete för att göra lösningsmedlets regenereringsenergi så låg som möjligt."
Forskarna säger att det behövs ny teknik för koldioxidavskiljning som skulle kräva mindre energi än befintlig kommersialiserad kolavskiljningsteknik, av vilka en del endast används för att filtrera koldioxid och släppa ut den tillbaka till atmosfären. De hoppas att deras koldioxidavskiljningssystem kan hjälpa till att sänka kostnaderna för att hjälpa till att öka adoptionen.
"Det finns många olika sätt att fånga upp koldioxid," sa Shen. ”Den nuvarande standarden i den kommersiella miljön använder en reaktion som är så snabb, så robust och som binder koldioxiden så bra att man inte lätt kan få ut koldioxiden. Man måste använda väldigt höga temperaturer, vilket innebär stor energiförbrukning. Det gör din process dyrare.”
Studien, "Carbonic Anhydrase Immobilized on Textile Structured Packing Using Chitosan Entrapment for CO2 Capture” var publiceras online i ACS Sustainable Chemistry & Engineering. Medförfattare var Yue Yuan, som avslutade sin doktorsexamen. i Salmons team. Studien stöddes av NC State och av Alliance for Sustainable Energy, förvaltnings- och operatörsentreprenör för National Renewable Energy Laboratory (NREL) för US Department of Energy, genom ett Bioenergy Technologies Office (BETO)-finansierat projekt, som ett samarbete mellan NREL, NC State och University of Kentuckys Center for Applied Energy Research, med hjälp av enzymer från Novozymes.
Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire