Bardziej efektywne wychwytywanie CO2

Płuczki mokre są obecnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem do wychwytywania CO2 ze spalin przemysłowych: pompują one zanieczyszczone powietrze do cieczy przyciągającej cząsteczki dwutlenku węgla i wypompowują czyste powietrze. W świetle zmiany klimatu potrzebne są jednak bardziej wydajne rozwiązania, a molekularne ciecze jonowe wymieniane są wśród najpoważniejszych kandydatów.

Od roku 2014, dr Sonia Zulfiqar z Uniwersytetu Kraju Basków w Hiszpanii bada szczególny rodzaj cieczy jonowych, korzystając ze wsparcia środków unijnych przeznaczonych na realizację projektu NABPIL (Novel Amide Based Polymeric ionic Liquids: Potential Candidates for CO2 capture). Polimerowe ciecze jonowe są nie tylko potencjalnym nowym członkiem rodziny pochłaniaczy CO2, ale również okazują się mieć znacznie lepszą wydajność sorpcji niż i tak bardzo skuteczne molekularne ciecze jonowe.

Co jest największym problemem w przypadku aktualnie stosowanych instalacji do wychwytywania CO2?

Choć istnieją już technologie wychwytywania CO2, takie jak absorpcja chemiczna przy pomocy rozpuszczalnika, adsorpcja fizyczna, frakcjonowanie kriogeniczne, separacja membranowa, wiązanie biologiczne czy proces spalania O2/CO2, to komercyjne instalacje są oparte na procesie wypłukiwania na mokro. W procesie tym wykorzystuje się roztwory hydroksyaminy, w przypadku których częstym problemem jest korozja, degradacja aminy i utrata rozpuszczalnika. Dlatego potrzebne są nowe materiały do efektywnej separacji.

W tym kontekście, jakie są główne założenia projektu NABPIL?

Najważniejszym celem inicjatywy NABPIL jest zaprojektowanie, wytworzenie, scharakteryzowanie i przetestowanie nowej klasy polimerowych cieczy jonowych na bazie amidu, które potencjalnie cechują się wysoką skutecznością wychwytywania dwutlenku węgla z gazu ziemnego przed spalaniem i spalin po spalaniu. Te nowe materiały mogą odznaczać się niskimi kosztami oraz wysoką sprawnością wychwytywania CO2.

Dzięki temu projektowi chcieliśmy rozwinąć badania nad wychwytywaniem i konwersją CO2. Nasza metoda przyczyni się do stworzenia rynku obrotu CO2, gdyż umożliwi wydajne wychwytywanie dwutlenku węgla i przekształcanie go w produkty komercyjne. Realizacja tych celów wymaga połączenia ze sobą chemii, nauki o środowisku i badań materiałowych.

Dlaczego zdecydowaliście się na badanie cieczy jonowych a nie innych materiałów? Na czym polega ich wartość dodana?

Do materiałów znanych z procesów separacji CO2 należy krzemionka, węgiel aktywny, zeolity i sieci metaloorganiczne. Są one już używane, i to z dużym powodzeniem, jednak wciąż nie udało się rozwiązać wielu problemów.

Naszym zdaniem rozwiązaniem mogą być ciecze jonowe, określane jako "rozpuszczalniki ekologiczne". Są to bardzo wszechstronne materiały, badane ze względu na niezwykłe właściwości fizykochemiczne oraz pod kątem zastosowania w wychwytywaniu i separacji CO2. W przeciwieństwie do popularnych rozpuszczalników organicznych odznaczają się pomijalną prężnością pary oraz wysoką stabilnością cieplną i możliwością dostosowywania właściwości chemicznych.

Funkcjonalizacja polimerów posiadających grupy chemiczne cieczy jonowych umożliwiła opracowanie nowej klasy polielektrolitów nazywanych polimerowymi cieczami jonowymi, które są wykorzystywane między innymi w elektrolitach polimerowych do akumulatorów, w bioczujnikach, membranach do wychwytywania i separacji CO2, materiałach inteligentnych, a także w rozwiązaniach do przetwarzania celulozy i dostarczania genów.

Zastosowanie polimerowych cieczy jonowych do wychwytywania i separacji gazów ze spalin — lub też do ich magazynowania i transportu — jest w istocie najbardziej aktywnym, ale i najtrudniejszym obszarem badań nad tymi materiałami. Ich nielotność, wysoka skuteczność wchłaniania i odwracalna sorpcja CO2 sprawiają, że są one dobrymi kandydatami do zastosowań środowiskowych. Polimerowe ciecze jonowe z grupami aminowymi i nanoporowate wersje cieczy poli(jonowych) zostały zaprojektowane specjalnie z myślą o zwiększeniu wydajności wychwytywania CO2. W ostatnim czasie potwierdzono ich przepuszczalność oraz selektywność względem różnych gazów, takich jak CO2, N2, CH4 i H2.

Jakie najważniejsze trudności napotkaliście i jak zostały rozwiązane?

Planowana kolejność działań była taka, by najpierw przygotować polimery aminowe, a następnie przeprowadzić reakcję kwaternizacji w celu wytworzenia polimerowych cieczy jonowych. Podejście to nie pozwoliło nam na uzyskanie wysokiego współczynnika konwersji do polimerów jonowych, problemem była też dość niska wydajność.

Aby temu zaradzić, spróbowaliśmy innej strategii, polegającej na syntezie monomerów jonowych, a następnie przekształceniu ich w polimery jonowe. Tym razem uzyskaliśmy wysoki współczynnik konwersji i lepszą wydajność.

Projekt dobiegł już końca. Czy planowana jest kontynuacja badań?

W trakcie realizacji projektu NABPIL opublikowaliśmy pierwszy w historii artykuł opisujący wpływ różnych parametrów na zdolność polimerowych cieczy jonowych do wchłaniania CO2. Teraz chcielibyśmy wprowadzić do polimerów jonowych różne kationy i aniony sprzyjające pochłanianiu CO2 i zbadać ich działanie, co powinno pozwolić na uzyskanie jeszcze lepszej wydajności sorpcji CO2.

Czy analizowany był już potencjał rynkowy tych materiałów? A jeżeli tak, co ustalono?

Potencjał komercyjny nowych materiałów nie został jeszcze zbadany. Mimo że wydajność sorpcji CO2 tych amidowych polimerowych cieczy jonowych jest lepsza niż wielu innych takich cieczy, wciąż nie dorównuje dostępnym na rynku alternatywnym rozwiązaniom niejonowym.

Staramy się poprawić wydajność pochłaniania CO2, a kiedy uda nam się uzyskać zadowalające wyniki, z pewnością przyjrzymy się potencjałowi rynkowemu nowych polimerowych cieczy jonowych.

NABPIL
Finansowany ze środków programu PEOPLE 7PR
strona projektu w serwisie CORDIS