От водяного колеса к спасению атмосферы: экофрендли-мембрана для очистки воздуха

Ученые из Великобритании и Новой Зеландии разработали революционную мембрану, способную захватывать углекислый газ (CO2) из атмосферы.

Углекислый газ является основным виновником глобального потепления, с ежегодными выбросами около 40 миллиардов тонн. Однако концентрация CO2 в атмосфере составляет всего около 0,04%, что делает процесс извлечения чрезвычайно сложным и энергоемким. Низкая концентрация CO2 приводит к медленным химическим реакциям, а его концентрирование требует значительных затрат энергии.

Однако исследователи преодолели препятствия с помощью новой мембраны, использующей естественные различия во влажности как движущую силу. Решение позволяет значительно сократить энегозатраты, одновременно ускоряя процесс переноса углекислого газа через мембрану. Вода играет ключевую роль в этом процессе, ускоряя транспортировку CO2.

Автора работы отмечают, что придуманная технология необходима для захвата выбросов углекислого газа от мобильных и распределенных источников CO2, которые сложно декарбонизировать другими способами.

Синтетическая мембрана способна улавливать углекислый газ из воздуха без использования традиционных источников энергии – тепла или давления. Исследователи проводят аналогию с водяным колесом на мукомольной мельнице, где движение воды используется для помола зерна. В случае с мембраной, разница во влажности позволяет «перекачивать» углекислый газ из воздуха.

В биологических мембранах транспортировка обычно пассивная, вниз по градиенту концентрации uniport, symport and antiport). Однако при активной транспортировке перенос против градиента концентрации (вверх) для одного вида (красный) может быть достигнут за счет тесной связи с переносом вверх для второго вида (синий).

В синтетической мембране на основе расплавленной соли, содержащей оксид алюминия (Al2O3), носитель с тройной эвтектической смесью расплавленных карбонатов ((Li/Na/K)2CO3) удерживается в искусственных порах, просверленных лазером.

Разница во влажности (горячий воздух и сухой воздух) используется для перекачки CO2 из одного воздушного потока в другой, против градиента его концентрации, для получения выходного потока CO2

Процессы разделения лежат в основе многих аспектах современной жизни. От пищи и лекарств до топлива и батарей, большинство продуктов проходят через несколько этапов разделения. Эти процессы также важны для минимизации отходов и охраны окружающей среды, включая прямое улавливание углекислого газа.

С помощью рентгеновской микротомографии исследователи смогли точно охарактеризовать структуру мембраны и сравнить ее эффективность с другими современными мембранами. Моделирование процессов на молекулярном уровне позволило идентифицировать «переносчики» внутри мембраны, которые одновременно транспортируют и углекислый газ, и воду.

В мире, движущемся к циркулярной экономике, процессы разделения станут еще более критичными. Прямое улавливание углекислого газа может использоваться в получении сырья для производства углеводородных продуктов, обеспечивая углеродно-нейтральный или даже углеродно-отрицательный цикл. Кроме того, технология прямого улавливания углерода из воздуха необходима для удержания глобального потепления в пределах 1,5 °C, установленных Парижским соглашением 2015 года.