Poröst skum fångar in koldioxid effektivt
Den porösa, öppna strukturen ger hög förmåga att adsorbera koldioxid. Ett slags biobaserat hybridskum, med högt innehåll av så kallade zeoliter, har tagits fram av forskare från Chalmers och Stockholms universitet. Hög infångningsförmåga, hållbar sammansättning, till lägre användningskostnad är några av det nya materialets fördelar.
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 både politiker och industri, 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 (CO2) kan ge lägre användningskostnader.
Ett slags biobaserat hybridskum, med högt innehåll av CO2-adsorberande zeoliter, har visat sig ha mycket lovande egenskaper. Materialets porösa, öppna struktur gör förmågan att adsorbera koldioxiden väldigt hög.
Porösa zeoliter adsorberar molekyler
Zeoliter är en grupp vattenhaltiga aluminiumsilikater i kristallform, och ser ut som ett lerigt pulver. Det finns omkring 60 naturligt förekommande sådana mineral och ett hundratal syntetiska motsvarigheter. Zeoliter har en porös struktur med tydliga kanaler som löper genom hela strukturen och bildar hålrum. Dessa hålrum innehåller utbytbara positiva metalljoner, till exempel Na+ och K+. Zeoliter används bland annat i tvättmedel för att göra hårt vatten mjukare, genom att byta ut sina egna Na+-joner mot vattnets Ca2+-joner.
Zeoliterna kan även användas som katalysatorer i kemiska reaktioner och för att sila molekyler genom att adsorbera dem i sin porer. Därför kan de också utnyttjas för intensivtorkning, rening av gaser och vätskor, anrikning av syre ur luft och för avsaltning av havsvatten. Det senaste användningsområdet är nu alltså infångning av CO2-molekyler.
Forskare från Chalmers och Stockholms universitet ville i ett genomensam projekt 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.
De upptäckte att mikroporösa zeoliter (med porer mindre än 2 nanometer), tillverkade i låga partikelstorlekar (mindre än 200 nm), erbjuder stor potential som effektiva adsorbenter för koldioxid i atmosfären.
Nyckeln visade sig vara att de mindre partiklarna kunde kombineras med ett poröst bärarmaterial baserat på ett skum av gelatin och nanocellulosa, som då kunde klara att bära mycket höga mängder av zeoliten utan att tappa för mycket av sina starka mekaniska nätverksegenskaper.
Miljövänligt och billigt att tillverka
– 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 materialet miljövänligt och produktionskostnaderna kan hållas nere, säger Walter Rosas Arbelaez, doktorand på Chalmers och en av forskarna bakom studien.
Upptäckterna som forskarna nu har gjort ger betydelsefull kunskap för en fortsatt utveckling av hållbar koldioxidinfångning. Idag används ibland aminer i lösning för koldioxidinfångning, men de är i sig miljöovänliga, svårare att hantera, kräver större och tyngre volymer och medför korrosion i rör och tankar. Det krävs dessutom mycket energi för att senare separera koldioxiden från aminlösningen då den skall återanvändas. En tillämpning av det nya material som nu presenteras skulle få bort alla de problemen. I en framtida tillämpning kan filter i olika former lätt tillverkas.
Effektivt för koldioxidinfångning
– 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.
Zeoliter har länge föreslagits för koldioxidinfångning men hittills har det varit svårt att använda större zeolitpartiklar optimalt, på grund av svårhanterliga egenskaper vid processer och implementering.
Pusselbit för klimatmålen
Det sätt som zeolitpartiklarna nu har framställts på – som mindre partiklar i en lösning – gör att de lätt kan införlivas i och bäras upp av det i hög grad porösa cellulosaskummet. Därmed har forskarna kunnat övervinna det hanteringshindret, 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 minska mängden koldioxid i jordens atmosfär tillräckligt snabbt för att nå nödvändiga klimatmål, säger Walter Rosas Arbelaez.
Vetenskaplig artikel:
Bio-based Micro-/Meso-/Macroporous Hybrid Foams with Ultrahigh Zeolite Loadings for Selective Capture of Carbon Dioxide. ACS Applied Materials & Interfaces/ACS Publications
Kontakt:
Walter Rosas Arbelaez, doktorand, institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers, arbelaez@chalmers.se
Anders Palmqvist, professor, institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers, anders.palmqvist@chalmers.se
Luis Valencia, doktorand, Stockholms universitet, luis.alexandro@mmk.su.se
