Revolutionierung der Kohlenstoffabscheidungstechnologie
Stapelbares künstliche Blatt verbraucht weniger Strom als eine Glühbirne und bindet 100 Mal mehr Kohlenstoff als andere Systeme
Ingenieure der University of Illinois Chicago haben ein kostengünstiges künstliches Blatt entwickelt, das Kohlendioxid 100-mal besser abscheiden kann als derzeitige Systeme. Im Gegensatz zu anderen Kohlendioxidabscheidungssystemen, die in Labors mit reinem Kohlendioxid aus Drucktanks arbeiten, funktioniert dieses künstliche Blatt in der realen Welt. Es fängt Kohlendioxid aus stärker verdünnten Quellen wie Luft und Rauchgas aus Kohlekraftwerken ein und setzt es zur Verwendung als Brennstoff und für andere Materialien frei.
Illustration eines von Wissenschaftlern des UIC College of Engineering entwickelten Verfahrens zur Kohlenstoffabscheidung. Kohlendioxid aus Luft oder Rauchgas wird von einer trockenen organischen Lösung absorbiert, um Bikarbonationen zu bilden, die durch eine Membran wandern und in einer flüssigen Lösung zu konzentriertem CO2 gelöst werden. Die Kohlenstoffatome sind in rot, die Sauerstoffatome in blau und die Wasserstoffatome in weiß dargestellt.
Aditya Prajapati/UIC
"Unser künstliches Blattsystem kann außerhalb des Labors eingesetzt werden, wo es das Potenzial hat, eine bedeutende Rolle bei der Reduzierung von Treibhausgasen in der Atmosphäre zu spielen, da es eine hohe Kohlenstoffabscheidungsrate, relativ niedrige Kosten und einen moderaten Energieverbrauch aufweist, selbst im Vergleich zu den besten laborbasierten Systemen", so Meenesh Singh, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen am UIC College of Engineering und korrespondierender Autor der Studie.
Auf der Grundlage eines zuvor veröffentlichten theoretischen Konzepts modifizierten die Wissenschaftler ein standardmäßiges künstliches Blattsystem mit kostengünstigen Materialien, um ein Wassergefälle - eine trockene und eine feuchte Seite - über eine elektrisch geladene Membran zu schaffen.
Auf der trockenen Seite verbindet sich ein organisches Lösungsmittel mit verfügbarem Kohlendioxid, um eine Bikarbonat- oder Backnatronkonzentration auf der Membran zu erzeugen. Während sich das Bikarbonat aufbaut, werden diese negativ geladenen Ionen durch die Membran zu einer positiv geladenen Elektrode in einer wässrigen Lösung auf der feuchten Seite der Membran gezogen. Die flüssige Lösung löst das Bikarbonat wieder in Kohlendioxid auf, so dass es freigesetzt und für Kraftstoff oder andere Zwecke nutzbar gemacht werden kann.
Die elektrische Ladung wird genutzt, um den Transfer des Bikarbonats durch die Membran zu beschleunigen.
Bei Tests des Systems, das klein genug ist, um in einen Rucksack zu passen, stellten die UIC-Wissenschaftler fest, dass es einen sehr hohen Flux - eine Rate der Kohlenstoffabscheidung im Vergleich zur für die Reaktionen benötigten Oberfläche - von 3,3 Millimol pro Stunde pro 4 Quadratzentimeter aufweist. Dies ist mehr als 100-mal besser als bei anderen Systemen, obwohl nur eine geringe Menge an Strom (0,4 KJ/Stunde) für die Reaktion benötigt wurde, weniger als die Energiemenge, die für eine 1-Watt-LED-Glühbirne benötigt wird. Sie berechneten die Kosten auf 145 Dollar pro Tonne Kohlendioxid, was den Empfehlungen des Energieministeriums entspricht, wonach die Kosten 200 Dollar pro Tonne nicht überschreiten sollten.
"Es ist besonders aufregend, dass diese reale Anwendung eines elektrodialysebetriebenen künstlichen Blattes einen hohen Fluss mit einer kleinen, modularen Oberfläche aufweist", sagte Singh. "Das bedeutet, dass es stapelbar ist, dass die Module hinzugefügt oder entfernt werden können, um den Bedürfnissen besser gerecht zu werden, und dass es erschwinglich ist, es in Haushalten und Klassenzimmern zu verwenden, nicht nur bei profitablen Industrieunternehmen. Ein kleines Modul von der Größe eines Luftbefeuchters zu Hause kann mehr als 1 Kilogramm CO2 pro Tag entfernen, und vier industrielle Elektrodialysestapel können mehr als 300 Kilogramm CO2 pro Stunde aus dem Rauchgas abscheiden."
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