System do filtracji membranowej CO2 dla elektrowni
CO2 jest głównym gazem cieplarnianym, uwalnianym w dużych ilościach przez elektrownie węglowe. Operatorzy takich zakładów, które w końcu odejdą do lamusa, podejmują liczne działania w celu oczyszczenia emitowanych gazów z CO2 w maksymalnym możliwym stopniu. Nowy rodzaj materiału, zwanego membranami polimerowymi, umożliwia selektywną filtrację niektórych gazów w powietrzu. Membrany mogą posiadać jednocześnie tylko jedną właściwość: selektywność lub przepuszczalność. Membrany z mieszaną matrycą mogłyby teoretycznie pokonać to ograniczenie, chociaż nie uzyskano jeszcze poprawy wydajności. Membrany z mieszaną matrycą Oczekuje się, że nowy, nietestowany jeszcze typ membran mieszanych z matrycą metaloorganiczną (MOF) o nazwie M4 rozwiąże problem niekompatybilności między membranami i polimerami. MOF są porowatymi materiałami krystalicznymi zbudowanymi z organicznych łączników i nieorganicznych węzłów. Membrany MOF działają zasadniczo jak precyzyjnie zaprojektowane sita, które, w zależności od zastosowania, przepuszczają niektóre cząsteczki i blokują inne. W ramach finansowanego ze środków UE projektu M4CO2 opracowano energooszczędny system filtracji CO2 oparty na membranie M4. Celem było umożliwienie zapewnienia zgodności z planami UE dotyczącymi redukcji emisji CO2 o 90% przy koszcie poniżej 25 EUR za tonę CO2. Badacze pracujący nad projektem opracowali również nowe materiały MOF i polimery oraz pogłębili teoretyczne zrozumienie interakcji między tymi komponentami. Zespół dodatkowo stworzył prototypy i techniki badania dowodu koncepcji w celu zwiększenia skali produkcji. „Projekt przyniósł wiele rezultatów, ale naszym głównym osiągnięciem było opracowanie i demonstracja nowej technologii M4, odpowiedniej do ciągłego wychwytywania CO2”, mówi kierownik projektu, prof. Freek Kapteijn. Skuteczna, tania filtracja Naukowcy oszacowali, że koszty związane z usuwaniem CO2 za pomocą membrany M4 w procesie wstępnego spalania przy wykorzystaniu nowej technologii wyniosą mniej niż 20 EUR za tonę CO2. W zależności od nacisków w trzystopniowym procesie koszty można dodatkowo zmniejszyć do 16 EUR za tonę. Koszt usuwania po spalaniu wyniesie prawdopodobnie około 28 EUR za tonę. Dwustopniowy proces oparty na połączeniu wysoce czułych membran o niskiej przepuszczalności z elementami o odwrotnym działaniu zapewniałby wyniki porównywalne do rezultatów najskuteczniejszych procesów usuwania dwutlenku węgla. Oczyszczanie polega na cyrkulacji cieczy pochłaniającej CO2 w niskiej temperaturze i uwalniającej go w wysokiej temperaturze. Zespół opracował także moduły membranowe z włókien kanalikowych zawierające wiązki pustych włókien w cylindrycznej obudowie. Mieszanina gazów do separacji jest wprowadzana do jednego końca modułu, krąży wokół włókien, a następnie wypływa drugim końcem. „Głównym wyzwaniem okazało się zwiększenie produkcji membran z włókien kanalikowych”, zauważa prof. Kapteijn. „Membrany wytwarzane w skali laboratoryjnej funkcjonowały prawidłowo, ale w testach terenowych nie działały zgodnie z oczekiwaniami”. Pomimo przeszkód zespół nauczył się, jak produkować materiały i moduły. Technologia membran M4CO2 może być stosowana do oczyszczania dowolnego gazu zawierającego CO2. Technologia umożliwia usuwanie CO2 z gazów węglowych po spalaniu i przed ich uwolnieniem do atmosfery, a także przed ich spalaniem. W rezultacie wytwarzany jest bogaty w wodór gaz, który nadaje się do czystego spalania. W innych kontekstach technologia M4CO2 może mieć zastosowanie w instalacjach do produkcji wodoru, takich jak te opracowane w ramach unijnego projektu HyGear. Każdy rodzaj procesu separacji wymaga zastosowania zoptymalizowanego projektu membrany. Chociaż projekt został już zakończony, prace będą kontynuowane przez zespół nowego projektu MEMBER, realizowanego w ramach programu Horyzont 2020 przez wielu z partnerów biorących udział we wcześniejszym przedsięwzięciu. Nowy projekt będzie nadal rozwijał rozwiązania do różnych zastosowań w zakresie ciągłego wychwytywania CO2, a ponadto zbada perspektywy rynkowe.
Słowa kluczowe
M4CO2, CO2, MOF, emisje, membrany mieszane, filtracja, elektrownia węglowa, membrana polimerowa, struktury metaloorganiczne
