Ученые создали мембрану, работающую на влажности. Она выкачивает CO2 из воздуха

Новая мембранная технология, разработанная в Университете Ньюкасла, использует влажность для эффективного улавливания углекислого газа, предлагая перспективное решение для устойчивого прямого улавливания воздуха, необходимого для достижения климатических целей.

Прямой захват воздуха был определен как одно из семи химических разделений, которые изменят мир. Хотя углекислый газ является основным фактором изменения климата, выделение углекислого газа из воздуха очень сложно из-за его разбавленной концентрации (~0,04%).

Профессор Ян Меткалф, ведущий исследователь, утверждает, что процессы разбавления являются наиболее сложными для выполнения по двум основным причинам. Во-первых, из-за низкой концентрации кинетика скорость химических реакций, направленных на удаление разбавленного компонента, очень медленная. Во-вторых, концентрирование разбавленного компонента требует много энергии.

Именно эти две проблемы исследователи решили с помощью своего нового мембранного процесса. Используя естественные перепады влажности в качестве движущей силы для выкачивания углекислого газа из воздуха, команда преодолела энергетическую проблему. Присутствие воды также ускоряет транспортировку углекислого газа через мембрану, решая кинетическую задачу.

Доктор Грег А. Матч, научный сотрудник, объясняет, что прямой захват воздуха станет ключевым компонентом энергетической системы будущего. Он будет необходим для улавливания выбросов от мобильных, распределенных источников углекислого газа, которые нелегко декарбонизировать другими способами.

«В нашей работе мы демонстрируем первую синтетическую мембрану, способную улавливать углекислый газ из воздуха и повышать его концентрацию без традиционных затрат энергии, таких как тепло или давление. Я думаю, что полезной аналогией может быть водяное колесо на мукомольной мельнице. В то время как на мельнице вода движется вниз по склону, мы используем ее для откачки углекислого газа из воздуха», — говорит Матч.

Процессы разделения лежат в основе большинства аспектов современной жизни, начиная от продуктов питания, заканчивая лекарствами, а также топливом или аккумуляторами в автомобилях. Большинство продуктов, которые используют люди, прошли через несколько процессов разделения. Кроме того, процессы разделения важны для минимизации отходов и необходимости восстановления окружающей среды, например прямого улавливания углекислого газа в воздухе.

Однако в мире, переходящем к циркулярной экономике, процессы разделения станут еще более важными. В этом случае прямой захват воздуха может использоваться для получения углекислого газа в качестве сырья для производства многих углеводородных продуктов, которые используются сегодня, но в рамках углеродно-нейтрального или даже углеродно-отрицательного цикла.

Самое главное, что наряду с переходом на возобновляемые источники энергии и традиционным улавливанием углерода из точечных источников, таких как электростанции, прямое улавливание воздуха необходимо для достижения климатических целей, таких как цель в 1,5 °C, установленная Парижским соглашением.

Доктор Эвангелос Папаиоанну, объясняет, что, отклоняясь от типичной работы с мембранами, команда протестировала новую мембрану, проницаемую для диоксида углерода, при различных перепадах влажности, подаваемых через нее. Когда влажность на стороне выхода мембраны была выше, мембрана спонтанно перекачивала углекислый газ в выходной поток.

Используя рентгеновскую микрокомпьютерную томографию совместно с коллегами из Калифорнийского университета и Оксфордского университета, команда смогла точно охарактеризовать структуру мембраны. Это позволило провести сравнение характеристик с другими современными мембранами.

Ключевым аспектом работы стало моделирование процессов, происходящих в мембране на молекулярном уровне. Используя расчеты по теории функционала плотности, команда определила «переносчиков» внутри мембраны.

По словам исследователей, носитель уникальным образом переносит как углекислый газ, так и воду, но не что иное. Вода необходима для высвобождения углекислого газа из мембраны, а углекислый газ — для высвобождения воды. Поэтому энергия разницы влажности может быть использована для перемещения углекислого газа через мембрану от низкой концентрации к более высокой.

«Это была настоящая командная работа на протяжении нескольких лет. Мы очень благодарны за вклад наших коллег, а также за поддержку со стороны Королевской инженерной академии и Исследовательского совета по инженерным и физическим наукам», — говорит профессор Меткалф.

Ранее ученые обнаружили самые древние в мире, возрастом 34 тыс. лет, и до сих пор обитаемые термитники вдоль реки Баффелс в Намакваленде. Это позволило получить ключевые сведения о древних климатических условиях и хранении углерода.