Ученые из Чикагского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Университета Дьюка в США совместно с коллегами из Наньянского технологического университета в Сингапуре разработали новый тип фильтра, способный улавливать углекислый газ прямо из воздуха. В отличие от громоздких энергоемких промышленных установок, такой фильтр можно встроить в обычную систему вентиляции жилого дома или офиса. Благодаря этому каждое здание может стать частью распределенной сети, очищающей атмосферу от CO2.
В основе разработки лежат углеродные нанофибры. Эти прочные, легкие и пористые структуры получают из полиакрилонитрила методом электроспиннинга. Технология заключается в том, что полимерный раствор вытягивается в тончайшие нити под действием электрического поля. Под высоким напряжением из капли раствора формируется непрерывная струя, которая, быстро застывая в воздухе, превращается в волокна толщиной всего в несколько сотен нанометров. После обработки при высокой температуре они становятся электропроводными и приобретают большую площадь поверхности, что делает их идеальной основой для активного слоя. На эти волокна наносится тонкое покрытие из полиэтиленимина, богатого аминогруппами, которые химически связывают молекулы CO2. Когда воздух проходит через фильтр, углекислый газ реагирует с аминогруппами и превращается в стабильные соли карбоновых кислот и бикарбонаты, которые затем легко разлагаются при нагревании, высвобождая чистый CO2 и восстанавливая материал.
Эффективность полученного материала оказалась заметно выше, чем у существующих аналогов. При обычной влажности воздуха фильтр способен поглощать до 4 миллимолей углекислого газа на каждый грамм вещества. Таким образом, один килограмм такого материала улавливает почти 180 граммов CO2. При этом сам он остается достаточно проницаемым для воздуха и не создает дополнительного сопротивления в вентиляционной системе.
Ученые также подобрали два простых и экономичных способа восстановления фильтра за счет нагрева от солнечного света или короткого электрического импульса. Благодаря высокой светопоглощающей способности углеродных нанофибр фильтр разогревается до 80 oC даже при обычной солнечной радиации, и этого достаточно, чтобы связанный CO2 высвободился. А высокая электропроводность материала позволяет нагревать его электричеством буквально за несколько секунд, после чего фильтр снова готов к работе. Это делает процесс не только эффективным, но и экологически безопасным.
По результатам анализа жизненного цикла при использовании солнечной регенерации фильтр удаляет из атмосферы 92% CO2 с учетом всех сопутствующих выбросов. И даже при электрическом восстановлении, если энергия поступает из возобновляемых источников, эффективность остается выше 85%.
Ученый подсчитали, что, если оснастить такими фильтрами хотя бы половину зданий в США, они смогут ежегодно извлекать из воздуха около 25 миллионов тонн CO2. В мировом масштабе потенциал технологии оценивается почти в 600 миллионов тонн CO2 в год, что эквивалентно примерно 2% глобальных выбросов.
Экономические расчеты не менее убедительны. Стоимость улавливания и утилизации тонны CO2 с помощью таких фильтров составляет от 200 до 600 долларов, что сопоставимо с лучшими промышленными установками прямого улавливания, но без необходимости нести колоссальные капитальные затраты.
Таким образом, новая разработка способна радикально изменить саму концепцию борьбы с изменением климата. Вместо инвестиций в гигантские заводы по улавливанию CO2 можно создавать сотни миллионов компактных и дешевых фильтров, встраивая их в повседневную инфраструктуру.
