Het nieuwe, op katoenen stof gebaseerde filter van NCSU is veelbelovend als CO2-verwijderaar

Onderzoekers van de North Carolina State University ontdekten dat ze kooldioxide met veelbelovende snelheden uit lucht- en gasmengsels konden filteren met behulp van een voorgesteld nieuw, op textiel gebaseerd filter dat katoenen stof combineert met een enzym dat koolzuuranhydrase wordt genoemd – een van de hulpmiddelen van de natuur om chemische reacties te versnellen.

De bevindingen van de eerste laboratoriumtests vormen een stap voorwaarts in de ontwikkeling van een mogelijke nieuwe koolstofafvangtechnologie die de kooldioxide-uitstoot van biomassa-, steenkool- of aardgascentrales zou kunnen verminderen. En hoewel het filter aanzienlijk in omvang zou moeten worden opgeschaald, denken de onderzoekers dat hun ontwerp die stap gemakkelijker zou maken vergeleken met andere voorgestelde oplossingen.

“Met deze technologie willen we de uitstoot van kooldioxide bij de bron stoppen, en elektriciteitscentrales zijn momenteel de belangrijkste bron van kooldioxide-uitstoot”, zegt de hoofdauteur van het onderzoek. Jialong Shen, postdoctoraal onderzoeker bij NC State. "We denken dat het belangrijkste voordeel van onze methode vergeleken met vergelijkbaar gericht onderzoek is dat onze methode gemakkelijk kan worden opgeschaald met behulp van traditionele textielproductiefaciliteiten."

Het middelpunt van het ontwerp van het onderzoeksteam voor een voorgesteld chemisch filter op textielbasis is het natuurlijk voorkomende enzym koolzuuranhydrase, dat een reactie kan versnellen waarbij kooldioxide en water veranderen in bicarbonaat, een verbinding in zuiveringszout. Het enzym speelt een belangrijke rol in het menselijk lichaam; het helpt koolstofdioxide te transporteren, zodat het kan worden uitgeademd.

"We hebben dit prachtige enzym in ons proces geleend om de opname van kooldioxide in een waterige oplossing te versnellen," zei Shen.

Om het filter te maken, bevestigden onderzoekers het enzym aan een tweelaags katoenen weefsel door de stof te dompelen in een oplossing die een materiaal bevat dat chitosan wordt genoemd en dat als lijm werkt. De chitosan vangt het enzym fysiek op, waardoor het aan de stof blijft plakken.

De onderzoekers voerden vervolgens een reeks experimenten uit om te zien hoe goed hun filter kooldioxide zou scheiden van een luchtmengsel van kooldioxide en stikstof, waarbij de niveaus werden gesimuleerd die door energiecentrales worden uitgestoten. Ze rolden de stof in een spiraal, zodat deze in een buis kon worden geschoven. Ze duwden het gas door de buis, samen met een oplossing op waterbasis. Terwijl het kooldioxide reageerde met het water in de oplossing en het enzym, veranderde het in bicarbonaat en druppelde het door het filter en de buis. Vervolgens hebben ze de bicarbonaatoplossing opgevangen en afgevoerd.

Wanneer ze lucht door het filter duwden met een snelheid van 4 liter per minuut, konden ze 52,3% kooldioxide eruit halen met een enkelvoudig gestapeld filter, en 81,7% met een dubbelgestapeld filter. Hoewel de bevindingen veelbelovend zijn, moeten ze het filter testen tegen de snellere luchtstroomsnelheden die in commerciële energiecentrales worden gebruikt. Ter vergelijking: bij een grootschalige operatie zou ruim 10 miljoen liter rookgas per minuut moeten worden verwerkt. De onderzoekers werken samen met medewerkers om op grotere schaal te testen en hun technologie te vergelijken met andere vergelijkbare technologieën die worden bestudeerd.

“Het is een verhaal dat nog in ontwikkeling is, maar we hebben een aantal echt opwindende eerste resultaten behaald”, zegt co-auteur van het onderzoek Sonja Zalm, universitair hoofddocent textieltechniek, scheikunde en wetenschappen bij NC State. “We hebben heel belangrijke vooruitgang geboekt.”

Naast het testen van de koolstofafvang van de filters, testten ze ook hoe goed het filter zou werken na vijf cycli wassen, drogen en opbergen. Ze ontdekten dat het een hoog prestatieniveau kon behouden.

"Het enzym kan heel lang op een lagere temperatuur worden gehouden en het zal duurzaam zijn," zei Shen. "De stof biedt fysieke ondersteuning en structuur, terwijl het een groot oppervlak biedt waarop het kan reageren met de koolstofdioxide."

Het opvangen van de kooldioxide is slechts een deel van het proces. Ze werken ook aan het probleem van het recyclen van de vloeistof nadat deze het filter heeft verlaten, en aan het proces waarbij het bicarbonaat weer in kooldioxide wordt omgezet, zodat het kan worden opgeslagen en opgeslagen. weggegooid of gebruikt voor andere commerciële doeleinden.

“We willen de wateroplossing die we gebruiken met het filter regenereren, zodat we deze keer op keer kunnen gebruiken”, aldus Salmon. “Die kant van het proces heeft meer werk nodig om de regeneratie-energie van het oplosmiddel zo laag mogelijk te maken.”

De onderzoekers zeggen dat er nieuwe technologieën voor koolstofafvang nodig zijn die minder energie vergen dan de bestaande gecommercialiseerde technologieën voor koolstofafvang, waarvan sommige alleen worden gebruikt om koolstofdioxide te filteren en weer in de atmosfeer af te geven. Ze hopen dat hun systeem voor het opvangen van koolstof kan helpen de kosten te verlagen en de adoptie te stimuleren.

"Er zijn veel verschillende manieren om koolstofdioxide af te vangen", zei Shen. “De huidige standaard in de commerciële setting maakt gebruik van een reactie die zo snel en zo robuust is en die de kooldioxide zo goed bindt, dat je de kooldioxide er niet gemakkelijk uit kunt krijgen. Je moet zeer hoge temperaturen gebruiken, wat veel energieverbruik betekent. Dat maakt je proces duurder.”

De studie, “Koolzuuranhydrase geïmmobiliseerd op textielgestructureerde verpakking met behulp van chitosan-insluiting voor CO₂ Vangst” was online gepubliceerd in ACS Duurzame Chemie & Engineering. Co-auteurs waren onder meer Yue Yuan, die haar Ph.D. in het team van Salmon. De studie werd ondersteund door NC State en door de Alliance for Sustainable Energy, beheerder en exploitant van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) voor het Amerikaanse ministerie van Energie, via een door Bioenergy Technologies Office (BETO) gefinancierd project, als een samenwerking tussen NREL, NC State en het Center for Applied Energy Research van de Universiteit van Kentucky, met behulp van enzymen van Novozymes.

Originele artikelbron: WRAL TechWire