​Nytt, hållbart material för koldioxidinfångning

​Just nu går diskussionerna om infångning av koldioxid och utveckling av CCS (Carbon Capture and Storage) teknik heta. Stora satsningar och investeringar drivs på från såväl politiker som industrin, för att vi ska kunna minska koldioxidutsläppen tillräckligt snabbt och kunna möta klimatförändringarna. Än så länge har material och processer varit förknippade med avsevärda negativa bieffekter och höga kostnader. Nu visar forskning att det går att få fram mer hållbara alternativ där en mycket god förmåga att selektivt fånga in koldioxid kan ge lägre användningskostnader. Bio-baserade hybridskum med högt innehåll av CO2 adsorberande zeoliter har mycket lovande egenskaper. Materialets porösa, öppna struktur gör förmågan att adsorbera koldioxiden väldigt hög.

– I det nya materialet har vi kombinerat zeoliters goda förmåga att fånga in koldioxid med cellulosans starka mekaniska egenskaper vilket ger ett hållbart, lättviktigt och stabilt material med hög återanvändningsgrad. Vi upptäckte att cellulosan inte blockerade zeoliternas porer och därmed kunde zeoliternas kapacitet att adsorbera koldioxid tas till vara fullt ut. Cellulosan och zeoliterna gör det miljövänligt och produktionskostnaderna kan hållas nere, säger Walter Rosas Arbelaez, doktorand på Chalmers och en av forskarna bakom studien.

Passar väl in i pågående utvecklingen av CCS och CCU

Upptäckterna som forskarna nu har gjort ger betydelsefull kunskap för en fortsatt utveckling av hållbar koldioxidinfångning. Aminer i lösning som idag används i vissa applikationer och industrier är i sig miljöovänliga, svårare att hantera, kräver större och tyngre volymer och medför korrosion i rör och tankar. De kräver dessutom mycket energi för att separera koldioxiden från aminlösningen då den skall återanvändas. En applikation av materialet som nu presenteras skulle få bort alla de problemen. I en framtida tillämpning kan filter i olika former lätt tillverkas.

– Den här forskningen passar väl in i den pågående utvecklingen av CCS och CCU (Carbon Capture and Utilisation) tekniker, som ett hållbart alternativ med stor potential. Förutom att biobaserade material är mer miljövänliga kan ett fast material fånga in koldioxiden och sen avskilja den mer effektivt än aminer i en vätska, säger Anders Palmqvist, forskningsledare för studien på Chalmers.

Svårhanterligt hinder kunde övervinnas

Zeoliter har föreslagits för koldioxidinfångning under en längre tid men hittills har de svårhanterliga egenskaperna som vanliga, större zeolitpartiklar har när de ska processas och implementeras i applikationer, försvårat en optimal användning. Sättet som zeolitpartiklarna nu har framställts på – som mindre partiklar i en suspension – gör att de lätt kan införlivas i och bäras upp av det i hög grad porösa cellulosaskummet. Därmed har forskarna kunnat övervinna det hindret, vilket är ett viktigt resultat från den aktuella studien.

– Det som överraskade oss mest var att det gick att fylla skummet med en så hög andel zeoliter. När vi kom upp i 90 viktprocent förstod vi att vi hade fått fram något exceptionellt. Vi ser våra resultat som en mycket intressant pusselbit för att hitta en lösning på den komplexa utmaningen vi står inför att kunna minska mängden koldioxid i Jordens atmosfär tillräckligt snabbt för att nå nödvändiga klimatmål, fortsätter Walter Rosas Arbelaez.

Läs artikeln Bio-based Micro-/Meso-/Macroporous Hybrid Foams with Ultrahigh Zeolite Loadings for Selective Capture of Carbon Dioxide i ACS Applied Materials & Interfaces/ACS Publications.

Hantering av infångad koldioxid

Koldioxiden som materialet fångar in kan lagras (CCS) eller omvandlas i en reaktion (CCU). Det sistnämnda pågår intressant parallell forskning på Chalmers just nu för att möjliggöra omvandling av koldioxid till metanol. Resultaten behöver utvärderas ytterligare och jämföras med andra omvandlingsmetoder men det ser lovande ut.

Ytterligare beskrivning av forskningen

De båda huvudförfattarna och doktoranderna Walter Rosas från Chalmers tekniska högskola och Luis Valencia från Stockholms universitet, stötte samman i ett EU-projekt och startade samarbetet. Målet med forskningen har varit att undersöka kombinationen av ett mycket poröst biomaterial som kan tillverkas till en låg kostnad och den specifika funktionen hos zeoliten att adsorbera/fånga in koldioxid. Forskningen visade att mikroporösa (< 2 nm) kristallina aluminosilikater, så kallade zeoliter, tillverkade med liten (< 200 nm) partikelstorlek, erbjuder en stor potential som effektiva adsorbenter för atmosfärisk koldioxid. I studien har forskarna övervunnit de svårhanterliga processegenskaperna som vanliga större zeolitpartiklar har, vilket gör dem svåra att implementera i den här typen av applikationer.
Nyckeln visade sig vara att de mindre partiklarna kunde kombineras med ett meso- och makroporöst bärarmaterial baserat på ett skum av gelatin och nanocellulosa, som då kunde klara att bära ultrahöga mängder av zeoliten utan att tappa för mycket av sina starka mekaniska nätverksegenskaper.
Upp till 90 viktprocent zeolitinnehåll kunde uppnås, vilket ger materialet en mycket god förmåga att selektivt adsorbera koldioxid i kombination med en mycket öppen porstruktur som möjliggör höga gasflöden. Den zeolit som användes var av typen silicalite-1 och kan ses som en modell som kan ersättas av andra zeoliter vid behov.