Рисовую шелуху удалось превратить в эффективный материал для извлечения углекислого газа прямо из атмосферного воздуха. Ученые из Корейского института науки и технологий и компании Allnex USA разработали сорбент, который практически полностью восстанавливает свои свойства при нагреве всего до 75 oC и после 20 циклов работы теряет менее 2,5% эффективности. Новинка может сделать технологии прямого улавливания CO2 значительно дешевле.
Извлечение углекислого газа из атмосферы считается одной из самых сложных задач современной климатической инженерии. Если в дымовых газах электростанций содержание CO2 достигает 10-15%, то в воздухе его концентрация составляет всего около 0,04%. Чтобы уловить такое небольшое количество углекислого газа, вещество должно буквально извлекать отдельные молекулы среди азота, кислорода и водяного пара.
Одними из самых перспективных материалов для этого считаются твердые сорбенты на основе кремнезема с нанесенными на его поверхность органическими соединениями, которые химически связывают углекислый газ. Однако производство самого кремнезема требует значительных затрат энергии и сопровождается дополнительными выбросами CO2.
Для решения этой проблемы ученые предложили использовать обычную рисовую шелуху, которая является одним из самых распространенных сельскохозяйственных отходов в мире. После обработки, включающей кислотную очистку и обжиг, она превращается в практически чистый аморфный диоксид кремния. Именно из него удалось получить новый пористый материал, структура которого стала ключевым фактором его высокой эффективности.
Объем пор нового материала достиг 2,31 кубического сантиметра на грамм, а их средний диаметр составил около 18 нанометров, что примерно в 3-5 раз больше, чем у многих существующих промышленных сорбентов. Такая трехмерная структура напоминает губку с сетью взаимосвязанных каналов, по которым молекулы углекислого газа могут свободно проникать внутрь материала.
Затем ученые заполнили поры полимером, содержащим большое количество аминогрупп, которые непосредственно связывают CO2. Обычно при высокой загрузке поры начинают закупориваться, а эффективность сорбента падает. Однако благодаря крупным каналам новой кремнеземной пены ученым удалось разместить до 55% активного вещества без существенного ухудшения проницаемости материала.
Испытания показали, что сорбент захватывает углекислый газ в два этапа. Сначала быстро реагируют аминогруппы, расположенные на поверхности, а затем молекулы CO2 постепенно проникают глубже в поры и связываются с внутренними активными центрами. При оптимальной загрузке материал поглощал 2,92 миллимоля CO2 на грамм в сухом воздухе.
Одним из главных преимуществ новой разработки стала низкая температура регенерации. Если жидкие аминные установки требуют нагрева примерно до 120-150 oC, то новый материал высвобождает около 85% накопленного углекислого газа всего за полчаса при 60 oC, а при 75 oC он практически полностью восстанавливает свою поглощающую способность. Это позволяет использовать тепло от промышленных предприятий или солнечных коллекторов, заметно снижая затраты энергии на работу установки.
Работу сорбента проверили в условиях реальной атмосферы. Через колонку с материалом пропускали обычный наружный воздух, содержавший около 460 частей на миллион CO2 при относительной влажности 59%. Сорбент эффективно работал почти пять часов и поглотил 2,43 миллимоля углекислого газа на грамм. Дополнительный анализ показал, что в ходе многократной эксплуатации в материале не образуются необратимые побочные соединения, которые обычно постепенно выводят подобные сорбенты из строя.
Себестоимость нового материала составляет около 0,47-0,5 доллара за грамм без учета затрат на энергию и рабочую силу. Использование рисовой шелухи позволяет снизить и углеродный след производства.
