“Innovation uppstår vanligtvis när två vetenskapsområden som inte korsar varandra möts. Om du har en fot i båda världarna kommer du att se en sak – det kommer inte att vara lätt för de andra, säger Sonja Salmon, NC State i textilteknik, kemi och vetenskap. säger docenten IE i en intervju.
Salmon hänvisar till sin erfarenhet inom textilteknik och biokemi. Nyligen utvecklade Salmon och Jialong Shen, en postdoktor vid NC State, ett enkelt utseende textilbaserat filter som kan fånga upp koldioxidutsläpp.
Något miljövänligt.
Forskarna valde ett naturligt förekommande enzym som kallas kolsyraanhydras för att skapa ett bomullstyg känt för sina mångsidiga egenskaper och ett tyg vars speciella egenskap helt enkelt är att ta bort koldioxidmolekyler från en gasblandning.
Deras resultat publicerades i en tidskrift ACS Sustainable Chemical Engineering Tidigare den här månaden.
Deras val av vapen? Bomull
Det är ett välkänt faktum att koldioxidhalterna idag är en av de högsta på 800 000 år. Enligt National Oceanic and Atmospheric Administration är de kvarvarande bränslena som människor förbränner för energi primärt ansvariga för den nuvarande höga CO2-koncentrationen.
”Jag har arbetat inom det här området sedan 2005. Då var de globala CO2-utsläppen bara 24 miljarder ton per år. Nu är den siffran mer än 35 miljarder ton per år. Folk vill ha energi, och vi slänger in extra energi. och den samlar den inte. Vi kan inte se det eller lukta det. Det är väldigt osynligt för oss, men det är ett stort problem för vår planet, och vi måste göra det. Något att göra med det, säger Salmon.
Deras lösning var ett filter.
“En sak vi redan vet om bomull är att den absorberar och transporterar vatten och fukt bra”, sa han.
Bomullsfrövatten kan också användas för att sprida ett tunt lager, vilket skapar en mycket hög kontaktyta för gas. “När koldioxidmolekyler behöver tas bort från gasblandningar måste molekylen vara i kontakt med något – därav den stora ytan”, förklarar Salmon.
Kolretention i vår kropp?
Forskare har valt att modellera sin teknik utifrån den reaktion som sker i vår kropp.
Kolsyraanhydras är ett enzym som finns i vävnaderna hos alla däggdjur, såväl som i växter, alger och bakterier. Kolsyraanhydras hjälper till att omvandla CO2 och vattenbikarbonat (HCO)3–) och protoner (H+) (och tillbaka igen). Denna process är livsviktig och är central för regleringen av andning, matsmältning och cellulära pH-nivåer.
Enligt forskarna fungerar deras “enzymtillsatta textilfilter också som en blandning mellan ett luftfilter och ett vattenfilter som utför en kemisk reaktion.”
”Idag finns det traditionella kolavskiljningssystem som används inom olje- och gasindustrin – främst metan för att rena naturgas. När naturgas utvinns blandas den ofta med koldioxid. Således har separationstekniken varit tillgänglig i decennier”, sa han. Salmon förklarar.
Men de flesta tidigare system släppte ut CO2 tillbaka till atmosfären. Men tanken med att använda dessa filter är att fånga upp gasen, fånga upp den och sedan lägga den under jord eller förvandla den till värdefulla produkter.
“Vår teknik använder textilier och enzymer för att fånga upp CO2-molekyler mycket effektivt”, säger Salmon.
Koldioxidavskiljning för användbara ändamål
För att skapa ett filter “doppades” enzymet i en tvålagers bomullsduk i en lösning innehållande kitosan, som fungerar som ett bindemedel. Pressmeddelandet säger att materialet då fångar upp enzymet som fastnar på tyget.
En serie experiment utfördes sedan för att simulera nivåer lika med de nivåer som släpps ut från kraftverk för att se hur effektivt filtret skulle separera koldioxid från en blandning av koldioxid och kväve.
Biten rullade i en spiral och trycktes in i ett rör. Forskarna ledde gasen genom ett rör med en vattenbaserad lösning. När CO2 reagerade med enzymet i vattnet och lösningen förvandlades det till bikarbonat och droppade ner i filtret och röret. Sedan tog de bikarbonatlösningen och tog ut den. Det kan sedan användas för att reagera med kalcium för att generera mer energi eller för att bilda kalksten.
Forskare kunde ta bort 52,3 procent av koldioxiden med ett enskiktsfilter och 81,7 procent med ett dubbelskiktsfilter när luft trycktes ut ur filtret med en hastighet av fyra liter per minut.
Översättning till verkliga applikationer
Även om de första resultaten är intressanta, måste filtret fortfarande testas med de snabbare luftflödena som finns i kommersiella kraftverk. Ett fullskaligt filtreringssystem måste hantera mer än 10 miljoner liter rökgas per minut.
”Det kom helt enkelt till vår kännedom [Carbon emissions]vi var säkra på tekniken [the one they’re working on] Vi måste utöka skalan väldigt snabbt, sa Shen IE.
Även om flera kolavskiljningstekniker är baserade på komplexa material, valde Lax och Shen bomull som är lättillgänglig och tål upprepade tvätt-, torknings- och lagringscykler. “Vår teknik kan enkelt utökas med hjälp av befintlig infrastruktur för textiltillverkning,” sa Shen.
Forskare tittar redan på verkliga tillämpningar – kraftverk. “Problemet med den teknik som används för närvarande är att lösningsmedlet kräver mycket energi för att återhämta sig, och det är dyrt”, säger Shen. Teamet avser att använda lågregenererande energilösningsmedel, vilket är en “kostnadseffektiv metod att skala”.
Deras forskning bygger på modern teknik. “Det fina med vår design – filtret – är att det kan passa in i befintlig utrustning i kraftverk”, sa Salmon.
Kan det ändrade tyget någonsin bäras? Kan en skjorta hjälpa till att bekämpa klimatförändringarna?
“Det är mer futuristiskt”, säger Salmon. ”Vår teknik hjälper till att fånga upp gasmolekyler som behöver lagras någonstans. Så vårt system är designat för något stationärt. Tyvärr är det inget du kan hålla dig till eller ha på baksidan av din bil just nu. Men ändå, med innovation, använd det. Det kommer att finnas nya sätt att tänka på det, tillade han.
I nästa pipeline
Projektet finansieras av det amerikanska energidepartementets National Renewable Energy Laboratory. Dr. Min Zhang och University of Kentucky’s Center for Applied Energy Research. Finansieras i samarbete med Jesse Thompson. De fick stöd av Novozymes, som tillhandahåller enzymer för arbetet.
”Vi har utökat lite med vår personal, och vi hoppas få en publikation om detta senare i år. Ärligt talat tror vi att tekniken fungerar tillräckligt bra för att kunna tänka på att försöka distribuera dem i större skala. Men det innebär att samarbeta med kommersiella möjligheter.” “Vi börjar prata med folk om det nu och vi ser fram emot att göra framsteg.”
Under de senaste åren har många koncept utvecklats för att bekämpa klimatförändringarna. De flesta av dem klarar dock inte konceptets bevisstadium.
Salmon säger att energistraffet kan vara relaterat till detta.
“Det finns ett energikrav för alla kolinfångningssystem, eftersom du kämpar för att fånga gasmolekyler från luften och dra dem i en mer koncentrerad form, och det strider mot termodynamikens naturlagar. Så du måste betala för en energi. Det är ett straff, säger Salmon. Med andra ord måste du spendera lite energi för att driva på tekniken för avskiljning och lagring av kol.
Storleken på detta energistraff har hittills varit en begränsande faktor.
”Det finns också tanken att vi släpper ut CO2 gratis och nu måste vi betala för det – det är ett hinder. Men folk måste förstå att om vi inte betalar för det kommer vår planet att hamna i trubbel”, tillade Salmon. .
