Gli ingegneri del MIT sviluppano un nuovo modo per rimuovere l’anidride carbonica dall’aria
Un nuovo modo di rimuovere l’anidride carbonica da un flusso d’aria potrebbe fornire uno strumento significativo nella lotta contro i cambiamenti climatici. Il nuovo sistema può funzionare sul gas praticamente a qualsiasi livello di concentrazione, anche fino a circa le 400 parti per milione attualmente presenti nell’atmosfera.
La maggior parte dei metodi per rimuovere l’anidride carbonica da un flusso di gas richiede concentrazioni più elevate, come quelle che si trovano nelle emissioni di fumi delle centrali elettriche a combustibile fossile. Sono state sviluppate alcune varianti che possono funzionare con le basse concentrazioni presenti nell’aria, ma il nuovo metodo è significativamente meno dispendioso in termini di energia e costoso, affermano i ricercatori.
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La tecnica, basata sul passaggio dell’aria attraverso una pila di piastre elettrochimiche cariche, è descritta in un nuovo articolo sulla rivista Energy and Environmental Science , del postdoc del MIT Sahag Voskian, che ha sviluppato il lavoro durante il suo dottorato, e T. Alan Hatton, il Ralph Landau Professore di ingegneria chimica.
Il dispositivo è essenzialmente una batteria grande e specializzata che assorbe l’anidride carbonica dall’aria (o altro flusso di gas) che passa sopra i suoi elettrodi mentre viene ricaricata, quindi rilascia il gas mentre viene scaricato. Durante il funzionamento, il dispositivo si alterna semplicemente tra la carica e la scarica, con aria fresca o gas di alimentazione che viene soffiato attraverso il sistema durante il ciclo di carica, e quindi l’anidride carbonica pura e concentrata viene espulsa durante la scarica.
Mentre la batteria si carica, si verifica una reazione elettrochimica sulla superficie di ciascuna pila di elettrodi. Questi sono rivestiti con un composto chiamato poliantrachinone, che è composto con nanotubi di carbonio. Gli elettrodi hanno una naturale affinità con l’anidride carbonica e reagiscono prontamente con le sue molecole nel flusso d’aria o nel gas di alimentazione, anche quando è presente a concentrazioni molto basse. La reazione inversa ha luogo quando la batteria è scarica, durante la quale il dispositivo può fornire parte della potenza necessaria per l’intero sistema – e nel processo espelle un flusso di anidride carbonica pura. L’intero sistema funziona a temperatura ambiente e normale pressione dell’aria.
“Il più grande vantaggio di questa tecnologia rispetto alla maggior parte delle altre tecnologie di cattura o assorbimento del carbonio è la natura binaria dell’affinità dell’adsorbente con l’anidride carbonica”, spiega Voskian. In altre parole, il materiale dell’elettrodo, per sua natura, “ha un’alta affinità o nessuna affinità”, a seconda dello stato di carica o scarica della batteria. Altre reazioni utilizzate per la cattura del carbonio richiedono fasi intermedie di trattamento chimico o l’immissione di energia significativa come calore o differenze di pressione.
“Questa affinità binaria consente la cattura di anidride carbonica da qualsiasi concentrazione, comprese 400 parti per milione, e ne consente il rilascio in qualsiasi flusso di trasporto, incluso il 100% di CO 2 “, afferma Voskian. Cioè, poiché qualsiasi gas fluisce attraverso la pila di queste celle elettrochimiche piatte, durante la fase di rilascio l’anidride carbonica catturata verrà trasportata con sé. Ad esempio, se il prodotto finale desiderato è l’anidride carbonica pura da utilizzare nella carbonatazione delle bevande, allora un flusso di gas puro può essere soffiato attraverso le piastre. Il gas catturato viene quindi rilasciato dalle piastre e si unisce al flusso.
In alcuni impianti di imbottigliamento di bibite analcoliche, il combustibile fossile viene bruciato per generare l’anidride carbonica necessaria per dare alle bevande il loro gelo. Allo stesso modo, alcuni agricoltori bruciano gas naturale per produrre anidride carbonica per alimentare le loro piante nelle serre. Il nuovo sistema potrebbe eliminare la necessità di combustibili fossili in queste applicazioni e, nel frattempo, sta eliminando il gas serra dall’aria, afferma Voskian. In alternativa, il flusso di anidride carbonica pura potrebbe essere compresso e iniettato sottoterra per lo smaltimento a lungo termine o addirittura trasformato in combustibile attraverso una serie di processi chimici ed elettrochimici.
Il processo che questo sistema utilizza per catturare e rilasciare l’anidride carbonica “è rivoluzionario”, afferma. “Tutto questo è in condizioni ambientali – non è necessario alcun input termico, di pressione o chimico. Sono solo questi fogli molto sottili, con entrambe le superfici attive, che possono essere impilati in una scatola e collegati a una fonte di elettricità. ”
“Nei miei laboratori, abbiamo cercato di sviluppare nuove tecnologie per affrontare una serie di problemi ambientali che evitano la necessità di fonti di energia termica, cambiamenti nella pressione del sistema o aggiunta di sostanze chimiche per completare i cicli di separazione e rilascio”, afferma Hatton. “Questa tecnologia di cattura del biossido di carbonio è una chiara dimostrazione della potenza degli approcci elettrochimici che richiedono solo piccole oscillazioni di tensione per guidare le separazioni.”
In un impianto funzionante, ad esempio in una centrale elettrica in cui i gas di scarico vengono prodotti in modo continuo, due gruppi di tali pile di celle elettrochimiche potrebbero essere posizionati fianco a fianco per funzionare in parallelo, con i gas di scarico diretti prima su un set per la cattura del carbonio, quindi deviato al secondo set mentre il primo set entra nel suo ciclo di scarico. Alternando avanti e indietro, il sistema potrebbe sempre sia catturare che scaricare il gas. In laboratorio, il team ha dimostrato che il sistema è in grado di resistere ad almeno 7000 cicli di carica-scarica, con una perdita di efficienza del 30 percento nel corso del tempo. I ricercatori stimano che possono prontamente migliorarlo da 20.000 a 50.000 cicli.
Gli elettrodi stessi possono essere fabbricati con metodi di elaborazione chimica standard. Mentre oggi questo viene fatto in un ambiente di laboratorio, può essere adattato in modo che alla fine possano essere realizzati in grandi quantità attraverso un processo di produzione roll-to-roll simile a una macchina da stampa per giornali, dice Voskian. “Abbiamo sviluppato tecniche molto convenienti”, afferma, stimando che potrebbe essere prodotto per qualcosa come decine di dollari per metro quadrato di elettrodo.
Rispetto ad altre tecnologie di cattura del carbonio esistenti, questo sistema è abbastanza efficiente dal punto di vista energetico, utilizzando costantemente circa un gigajoule di energia per tonnellata di anidride carbonica catturata. Altri metodi esistenti hanno un consumo di energia che varia da 1 a 10 gigajoule per tonnellata, a seconda della concentrazione di anidride carbonica in ingresso, afferma Voskian.
I ricercatori hanno creato una società chiamata Verdox per commercializzare il processo e sperano di sviluppare un impianto su scala pilota entro i prossimi anni, afferma. E il sistema è molto facile da scalare, dice: “Se vuoi più capacità, devi solo fare più elettrodi”.
