Due ingegneri hanno sviluppato un nuovo “sistema rivoluzionario” per rimuovere l’anidride carbonica dall’aria.

In un nuovo articolo “Faradaic electro-swing reactive adsorption for CO2 capture” pubblicato sulla rivista Energy and Environmental Science, dal postdoc del MIT Sahag Voskian, che ha sviluppato il lavoro durante il suo dottorato di ricerca, e il Professore di ingegneria chimica T. Alan Hatton, viene descritto un nuovo modo per rimuovere l’anidride carbonica dall’aria.

La maggior parte dei metodi per rimuovere l’anidride carbonica da un flusso di gas richiede concentrazioni più elevate, come quelle che si trovano nei fumi emessi dalle centrali elettriche a combustibile fossile.

Affermano i ricercatori: “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 meno costoso.”

Una grande batteria

Il dispositivo è essenzialmente una grande batteria specializzata che assorbe l’anidride carbonica dall’aria (o da un altro flusso di gas) che passa sui suoi elettrodi mentre viene ricaricata, quindi rilascia il gas mentre viene scaricata. 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 poli antrachinone, che è composto da 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.

Spiega Voskian: “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. 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 portante, incluso il 100% di CO2.”.

Un processo rivoluzionario

Il nuovo sistema potrebbe eliminare la necessità di combustibili fossili in varie applicazioni e, nel frattempo, sottrarrebbe CO2 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 Voskian. “Tutto questo è in condizioni ambientali naturali (non è necessario alcun input termico, o di pressione o intervento chimico). Sono solo questi fogli molto sottili, con entrambe le superfici attive, che possono essere impilati in una scatola e collegati a una fonte elettrica.”

Afferma Hatton: “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. 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”.

Esempi di applicazioni

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 installati uno accanto all’altro per funzionare in parallelo, con i gas di combustione diretti prima verso un set per la cattura del carbonio, quindi deviato al secondo set mentre il primo set entra nel suo ciclo di scarica. 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.

Conclusioni

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 nei prossimi anni, afferma. E il sistema è molto facile da scalare, dice: “Se vuoi più capacità, devi solo fare più elettrodi”.

Journal Reference:

  1. Sahag Voskian, T. Alan Hatton. Faradaic electro-swing reactive adsorption for CO2 captureEnergy & Environmental Science, 2019; DOI: 1039/C9EE02412C

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