Финансирование ARPA-E поддерживает исследования по удалению углекислого газа из дымовых газов

Исследователи из Технологического института Джорджии используют финансирование от Агентства перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) для разработки двух разных, но связанных подходов к удалению углекислого газа (CO₂) из дымовых газов угольных электростанций. На эти объекты приходится примерно треть всех выбросов CO₂ в США ежегодно. Учёные планируют использовать уникальные свойства полых волокон с высокой плотностью упаковки для создания экономичных методов улавливания больших объёмов парникового газа.

В одном проекте, адресованном непосредственно институту, разрабатываются композитные мембраны на основе полых волокон, в которые интегрированы нанопористые металло-органические каркасы (MOF) для сепарации CO₂. В другом проекте исследователи помогают коллегам из Национальной лаборатории Ок-Ридж в создании половолоконных сорбентов, которые, подобно губке, поглощают CO₂, а затем высвобождают его при нагреве. Оба подхода используют чрезвычайно высокое отношение площади поверхности к объёму, характерное для полимерных полых волокон. Для мембранного проекта учёные рассчитывают разместить миллион квадратных метров мембранной площади в здании средних размеров.

«Задача состоит не только в том, чтобы технология физически работала, но и в том, чтобы её можно было построить в крупном масштабе и эксплуатировать недорого», — отмечает профессор Дэвид Шолл, руководитель мембранного проекта. Современная технология улавливания, основанная на пропускании газов через водный раствор, потребляла бы не менее трети энергии, производимой станцией. Мембраны теоретически требуют меньше энергии, но существующие материалы недостаточно устойчивы к агрессивной среде дымовых газов и слишком дороги для необходимых масштабов. Ключом к обеспечению достаточной площади поверхности стали полые волокна толщиной с волос. «В зависимости от деталей конструкции, контактная площадь, которую можно упаковать в кубический метр объёма, может быть в сотни или тысячи раз выше, чем у конкурирующих подходов», — поясняет профессор Уильям Корос, работающий над обоими проектами.

Исследователи используют вычислительные методы для скрининга почти 5000 соединений, потенциально пригодных для создания MOF-материалов. Цель — сократить список кандидатов до 50, которые затем будут синтезированы и протестированы на ключевые свойства: проницаемость для CO₂ и селективность. К концу двухлетнего гранта учёные планируют создать и испытать мембраны в лабораторном масштабе, а затем, совместно с производителем, перейти к пилотным испытаниям пучков волокон. Серьёзной проблемой остаётся устойчивость материалов к реальным условиям: дымовые газы содержат оксиды азота и серы, влагу, следы хлора и ртути. Система на основе половолоконных мембран потенциально может удалять до 90% CO₂ из выбросов, но даже в лучшем случае на это потребуется не менее 10% энергии станции. «Все страны мира будут сжигать уголь в обозримом будущем, у нас нет других хороших источников базовой нагрузки в таких масштабах. Любая технология для экономичного улавливания углерода на этих объектах может оказать большое влияние», — заключил Шолл.