Dure gasscheiding is misschien niet nodig om CO₂ uit de lucht en industriële installaties te recyclen

Overzicht van opkomende CO₂ vang- en conversiepaden. Voorgestelde processtroom voor geëlektrificeerde CO₂ conversie met selectie van de afgasgrondstof, weglating of opname van een gasscheidingsapparaat en keuze voor CO₂ conversie nanotechnologie. Credit: Milieuwetenschappen: Nano (2024). DOI: 10.1039/D3EN00912B

Een kostbare stap in het proces om de CO2-uitstoot om te zetten in nuttige producten zoals biobrandstoffen en farmaceutische producten is misschien niet nodig, aldus onderzoekers van de Universiteit van Michigan.

Het papier is gepubliceerd in het journaal Milieuwetenschappen: Nano.

Koolstofdioxide in de atmosfeer van de aarde is een belangrijke aanjager van klimaatverandering, waarbij de verbranding van fossiele brandstoffen verantwoordelijk is voor 90% van alle CO₂ uitstoot. Nieuwe EPA-regelgeving die in april werd geïntroduceerd, roept fossielebrandstoffabrieken op om hun uitstoot van broeikasgassen tegen 2039 met 90% te verminderen.

Veel onderzoekers beweren dat het opslaan van die CO₂ zou zonde zijn als koolstof nodig is voor de productie van veel producten waarvan we dagelijks afhankelijk zijn, zoals kleding, parfum, vliegtuigbrandstof, beton en plastic. Maar het recyclen van CO₂ vereist doorgaans dat het wordt gescheiden van andere gassen – een proces waaraan een prijskaartje hangt dat onbetaalbaar kan zijn.

Nu kunnen nieuwe soorten elektroden, voorzien van een laagje bacteriën, die stap overslaan. Terwijl conventionele metalen elektroden reageren met zwavel, zuurstof en andere componenten van lucht en rookgassen, lijken de bacteriën daar minder gevoelig voor.

“De microben op deze elektroden, of biokatalysatoren, kunnen kleinere concentraties CO gebruiken₂ en lijken robuuster in termen van het omgaan met onzuiverheden in vergelijking met elektroden die metaalkatalysatoren gebruiken”, zegt Joshua Jack, assistent-professor civiele techniek en milieutechniek aan de UM, en eerste auteur van het artikel op de cover van Environmental Science Nano.

“Platforms die metalen gebruiken lijken veel gevoeliger te zijn voor onzuiverheden en hebben vaak een hogere CO nodig₂ concentraties te werken. Dus als je CO wilde nemen₂ rechtstreeks uit de uitstoot van elektriciteitscentrales kan de biotische katalysator dit mogelijk doen met een minimale schoonmaak van dat gas.”

Omdat CO₂ is een van de meest stabiele moleculen. Het weghalen van de koolstof uit de zuurstof kost veel energie, geleverd in de vorm van elektriciteit. Metaalelektroden nemen bijvoorbeeld een van de zuurstofatomen af, wat resulteert in koolmonoxide, dat kan worden gebruikt in verdere reacties om nuttige chemicaliën te maken. Maar ook andere moleculen kunnen met die elektronen reageren.

De microben kunnen daarentegen veel doelgerichter zijn. Ze werken niet alleen samen om zuurstof te verwijderen, maar met behulp van elektronen die door de elektrode worden geleverd, beginnen ze ook de koolstof in complexere moleculen op te bouwen.

Om de potentiële kostenbesparingen te beoordelen door het gebruik van biokatalysatoren om de gasscheidingsstap over te slaan, analyseerde het team van Jack gegevens uit eerdere onderzoeken, waarbij efficiëntiepercentages werden vastgesteld voor het omzetten van verschillende afvalgassen die CO bevatten.₂. Vervolgens gebruikten ze die gegevens om de CO2-voetafdruk en productiekosten voor verschillende CO2-emissies te beoordelen₂-afgeleide producten.

De resultaten toonden aan dat het gebruik van hernieuwbare elektriciteit, zoals zonnecellen, met een geconcentreerde CO2-uitstoot₂ bron, zonder gasscheiding, zorgt voor de laagste ecologische voetafdruk en de meest kostenconcurrerende producten.

Maar dit ideale scenario is alleen mogelijk voor bijzonder schoon en geconcentreerd CO₂ bronnen, zoals uit fermentatie in bio-ethanolfabrieken. CO scheiden₂ uit rookgassen bij de verbranding van fossiele brandstoffen kan $40 tot $100 per ton CO2 kosten₂. En voor uitzonderlijk verdunde bronnen zoals gewone lucht kunnen de kosten oplopen tot $300 tot $1.000 per ton.

Uit de analyse bleek dat door direct gebruik te maken van afvalgassen of lucht, het recyclen van CO₂ uit verdunde bronnen economisch levensvatbaar zou kunnen worden.

“Onze hoop is om de schaalbaarheid van CO2 te versnellen₂ conversietechnologieën om de klimaatverandering te verzachten en de koolstofcirculariteit te verbeteren”, zei Jack. “We willen de energie en nu zelfs de chemische industrie snel koolstofvrij maken, in een veel sneller tijdsbestek.”