Улавливание углекислого газа становится необходимым для отраслей, которые всё ещё зависят от ископаемого топлива, включая цементную и сталелитейную промышленность
Электростанции, работающие на природном газе, угольные заводы и цементные фабрики выбрасывают в атмосферу большое количество CO₂. Сокращение этих выбросов затруднено без специальных систем улавливания. Сегодня большинство заводов используют системы на основе растворителей, которые поглощают CO₂, но такие установки потребляют много энергии, требуют серьёзной модернизации инфраструктуры и могут быть дорогостоящими в эксплуатации.
Меньшей альтернативой, работающей на электричестве, является так называемая мембранная система
Мембрана работает как сверхтонкий фильтр, который пропускает одни газы легче, чем другие, отделяя CO₂ от остального дымового газа. Проблема в том, что многие мембраны теряют эффективность, когда уровень CO₂ низкий, что часто встречается на электростанциях, работающих на природном газе, и это ограничивает возможности их использования.
Новое исследование в EPFL проанализировало, как новый мембранный материал — пиридиновый графен — может работать в промышленных масштабах
Пиридиновый графен — это однослойный лист графена с крошечными порами, которые пропускают CO₂ лучше, чем другие газы. Исследователи объединили экспериментальные данные об эффективности с инструментами моделирования, которые имитируют реальные условия эксплуатации, такие как энергопотребление и поток газа. Они также изучили широкий спектр сценариев затрат, чтобы увидеть, как материал может вести себя при использовании на коммерческих предприятиях.
Исследование проводилось под руководством Марины Микари и Кумара Варуна Агравала, который занимает кафедру Газната в EPFL по передовым методам разделения. Исследование опубликовано в журнале Nature Sustainability и основано на предыдущих исследованиях группы по разработке масштабируемых графеновых мембран.
«По мере масштабирования технологии важно понимать последствия снижения энергопотребления и стоимости улавливания углерода в различных секторах, — говорит Агравал. — Эта работа решает эту задачу».
Команда протестировала различные мембраны на основе графена, включая пиридиновую мембрану, в нескольких установках для сравнения их производительности в реальных условиях. Для электростанций, работающих на природном газе, трёхступенчатая система, которая начинает с обогащения потока CO₂, достигла многообещающих затрат — примерно 80–100 долларов за тонну, а в лучших случаях — до 60–80 долларов. Это примечательно, поскольку мембраны обычно испытывают трудности с таким разбавленным дымовым газом.
На угольных заводах, где уровень CO₂ выше, высокая селективность мембраны по CO₂/N₂ снижает энергопотребление и снижает затраты до 25–50 долларов за тонну. Цементные заводы имеют больше кислорода в дымовом газе, что усложняет селективность, но мембрана всё равно достигает аналогичных диапазонов затрат и остаётся стабильной в различных протестированных сценариях.
Во всех трёх секторах высокая проницаемость мембраны позволяет уменьшить требуемую площадь поверхности, что помогает сократить площадь полной системы улавливания.
Исследование показывает, что пиридиновый графен может предложить компактную и потенциально экономически эффективную альтернативу системам на основе растворителей после масштабирования. Оно также указывает на области, в которых материал всё ещё может быть улучшен, особенно его способность отличать CO₂ от кислорода в цементном дымовом газе.
Предоставлено Ecole Polytechnique Federale de Lausanne.