Nowoczesne nanomateriały zwiększające wydajność procesu sekwestracji dwutlenku węgla
Głównym celem projektu INTERACT (INnovaTive Enzymes and polyionic-liquids based membRAnes as CO2 Capture Technology) było zwiększenie efektywności energetycznej i kosztowej istniejących metod wychwytywania. Jak dotąd zespół stworzył niezwykle szybkie biokatalizatory na bazie enzymów oraz wysoko wydajne nanomateriały nazywane „cieczami polijonowymi” (PIL, PolyIonic Liquids). Nanomateriały te zostały następnie wykorzystane do budowy wysoce selektywnych membran do separacji gazu, wykorzystanych później w nowych, innowacyjnych rozwiązaniach technologicznych. „Z powodu dużego zużycia energii stosowanie obecnych technologii wychwytywania wtórnego, takich jak płuczki chemiczne, wiąże się z wieloma problemami natury ekonomicznej” – wyjaśnia prof. dr Andrzej Górak, koordynator projektu z ramienia Politechniki Dortmundzkiej. „Technologia INTERACT pozwoli nam unowocześnić procesy wychwytywania: już teraz zastosowanie rozpuszczalników katalizowanych enzymami oraz innowacyjnych urządzeń stosowanych do wymiany chemicznej, w tym kontaktorów membranowych, znacznie usprawniło proces oczyszczania spalin. Co ważne, podczas naszej pracy staraliśmy się wykorzystać synergie między wysoką afinicznością naszych materiałów w zakresie wychwytywania CO2 a nowoczesnymi technologiami, jednocześnie analizując ich wydajność w oparciu o szczegółowe oceny techniczno-ekonomiczne i oceny cyklu życia”. Prace w ramach projektu INTERACT wymagały wielu eksperymentów i szczegółowych modeli wydajności osobnych dla każdej technologii nie tylko w skali laboratoryjnej, ale również pilotowej. W celu zidentyfikowania odpowiednich układów enzym-rozpuszczalnik zespół najpierw wykonał testy aktywności metodą oznaczania aktywności enzymu, a następnie zbadał układy zapewniające długoterminową stabilność pod kątem usprawnienia wymiany masy, przeprowadzając doświadczenia laboratoryjne w kolumnie ze zwilżanymi ściankami. W kolejnym etapie prac najbardziej obiecujące rozpuszczalniki enzymatyczne zostały umieszczone w kolumnach absorpcyjnych o różnej średnicy i różnej wysokości wypełnienia, zbudowanych w skali technicznej w różnych zakładach. „Dzięki zastosowaniu najskuteczniejszych enzymów będziemy mogli użyć rozpuszczalników o mniejszym współczynniku pochłaniania ciepła i większej zdolności do wychwytywania CO2, co pozwoli znacznie zmniejszyć zapotrzebowanie na energię niezbędną w procesie absorpcji chemicznej” – podkreśla prof. dr Górak. Połączenie anhydrazy węglanowej i wodnego roztworu MDEA z nowymi enzymami niemal dziewięciokrotnie poprawiło przenikanie CO2, nowy system może więc być z powodzeniem stosowany w najnowocześniejszych płuczkach. Prof. Dr Górak ma pewność, że w przyszłości uda się jeszcze bardziej usprawnić cały proces. Nieodkryty potencjał Oczekuje się, że opracowane przez uczestników projektu membrany gazowe bazujące na cieczach PIL zwiększą efektywność energetyczną procesu wychwytywania CO2, chociaż, jak twierdzi prof. dr Górak, nadal jest wiele do zrobienia: „Stworzona przez nas niezwykle interesująca koncepcja hybrydowego kontaktora membranowego zawierającego zarówno ciecze PILS, jak i enzymy, umożliwia wykorzystanie synergii pomiędzy tymi materiałami, jednak wymaga bardziej szczegółowego zbadania przed dokonaniem ostatecznej oceny”. Najlepszym sorbentami do stosowania w procesach absorpcji oraz jako wysoce selektywne i aktywne warstwy w cienkich kompozytowych membranach gazowych okazały się być najbardziej selektywne, porowate i gęste ciecze PIL. „Co ciekawe, jeden z materiałów PIL opracowanych i wprowadzonych na rynek przez naszych partnerów wzbudził duże zainteresowanie firm z branży elektrochemicznych systemów magazynowania energii jako doskonały składnik elektrolitów żelowych/polimerowych. Być może pomoże on usprawnić działanie systemów magazynowania, a tym samym zwiększyć stopień wykorzystania energii odnawialnej” – mówi prof. dr Górak. Prof. dr Górak i jego zespół podjęli wiele starań, aby dla każdej nowej technologii dostępna była odpowiednia koncepcja procesowa pozwalająca maksymalnie wykorzystać potencjalne korzyści przy jednoczesnym uwzględnieniu wszelkich możliwych ograniczeń. Koncepcje te zostały ocenione pod kątem każdego istniejącego scenariusza emisji CO2 przez przemysł. Szczegółowe oceny techniczno-ekonomiczne i ekologiczne wykazały, że technologie INTERACT nie tylko mają ogromny potencjał w zakresie redukcji oddziaływania elektrowni węglowych oraz innych zakładów emitujących CO2 na środowisko, ale również sprawdzają się o wiele lepiej niż obecne najnowocześniejsze płuczki aminowe. Prof. dr Górak przewiduje, że w przyszłości rozwiązania te będą stosowane nie tylko do wychwytywania CO2 ze spalin pochodzących z elektrowni, ale też z cementowni czy zakładów uzdatniających biogaz: „Wykorzystanie naszych technologii do produkcji »biogazu o parametrach gazu ziemnego« (RNG, Renewable Natural Gas) może stać się bodźcem do stworzenia bardziej zrównoważonych paliw dla transportu. Sektor ten, w którym istnieją już względnie duże infrastruktury na biogaz, kryje w sobie duży potencjał. Dodatkowo RNG jako paliwo przyszłości może zastąpić olej napędowy w pojazdach transportowych i maszynach o dużej mocy, dla których istnieje bardzo niewiele niskoemisyjnych alternatyw”. Jedno jest pewnie: w ciągu najbliższych lat o opracowanych w ramach projektu materiałach z pewnością będzie głośno.
Słowa kluczowe
INTERACT, enzymy, CCS, wychwytywanie dwutlenku węgla, nanomateriały, ciecz polijonowa, płuczka aminowa, rozpuszczalnik enzymatyczny, PIL, sorbent, spaliny, biogaz o parametrach gazu ziemnego
