Устройство впервые объединяет систему улавливания углерода с системой очистки этилена. И система не только работает на электричестве, но и удаляет из окружающей среды больше углерода, чем генерирует, что делает ее тем, что ученые называют чистым отрицательным выбросом углерода.

Среди производимых химических веществ во всем мире этилен занимает третье место по выбросам углекислого газа после аммиака и цемента. Этилен используется не только для создания пластмассовых изделий для упаковочной, сельскохозяйственной и автомобильной промышленности, но и для производства химических веществ, используемых, например, в антифризах, медицинских стерилизаторах и виниловом сайдинге для домов. 

Система и результаты экспериментов ученых Инженерного колледжа UIC опубликованы в научном документе по энергетике и окружающей среде под названием "Полностью интегрированная электрохимическая система, улавливающая CO₂ из дымовых газов для производства химикатов с добавленной стоимостью в условиях окружающей среды."

"Это первая демонстрация экологически чистой, полностью электрической интегрированной системы для улавливания углерода из загрязняющих веществ и создания очень ценного ресурса", - сказал Минеш Сингх, доцент кафедры химической инженерии UIC.

"Существует настоятельная необходимость в разработке эффективных технологий комплексного улавливания и преобразования углерода для устойчивого производства экологически чистого топлива. В настоящее время интегрированные системы улавливания и преобразования углерода отличаются высокой энергоемкостью и работают в прерывистом цикле улавливания и восстановления углекислого газа. Эффективная интеграция улавливания углерода с системой преобразования устраняет необходимость в транспортировке и хранении и тем самым повышает ее энергоэффективность".

Интегрированная система улавливания и конверсии углерода, разработанная в UIC, непрерывно улавливает диоксид углерода из дымовых газов для получения этилена высокой чистоты.

"Это важная веха в декарбонизации этилена", - сказал Сингх.

Чтобы улавливать углерод из воздуха или дымовых газов, лаборатория Сингха модифицировала стандартную систему искусственных листьев с использованием недорогих материалов, включив градиент воды - сухую и влажную стороны - через электрически заряженную мембрану. 

На сухой стороне органический растворитель присоединяется к доступному диоксиду углерода для получения концентрации бикарбоната, или пищевой соды, на мембране. По мере накопления бикарбоната эти отрицательно заряженные ионы вытягиваются через мембрану к положительно заряженному электроду в растворе на водной основе на влажной стороне мембраны. Жидкий раствор растворяет бикарбонат обратно в углекислый газ, поэтому его можно высвобождать и использовать для получения CO₂ преобразование. 

Система использует модульную, штабелируемую конструкцию, которая позволяет легко масштабировать систему вверх и вниз.

Чтобы преобразовать захваченный углекислый газ в этилен, Сингх и его коллеги использовали вторую систему, в которой электрический ток пропускается через ячейку. Половина ячейки заполнена углекислым газом, улавливаемым из системы улавливания углерода, другая половина - раствором на водной основе. Наэлектризованный катализатор вытягивает заряженные атомы водорода из молекул воды в другую половину блока, разделенную мембраной, где они соединяются с заряженными атомами углерода из молекул двуокиси углерода с образованием этилена. 

Исследователи UIC объединили две системы, подав захваченный раствор диоксида углерода в систему преобразования углерода и рециркулируя его обратно. Замкнутый цикл рециркуляции раствора обеспечивает постоянную подачу углекислого газа из дымовых газов и его превращение в этилен.

Чтобы протестировать свою интегрированную систему, исследователи внедрили биполярную мембранную электродиализную установку площадью 100 квадратных сантиметров для улавливания углекислого газа из дымовых газов и гидравлически соединили ее с электролизной ячейкой площадью 1 квадратный сантиметр для получения этилена.

Они смогли тестировать систему непрерывно, 24 часа в сутки в течение семи дней. Система была не только стабильной все это время, она также улавливала углерод со скоростью 24 грамма в день и производила этилен со скоростью 188 миллиграммов в день.

"На пути к экологизации производства этилена это потенциальный прорыв", - сказал Сингх. "Наш следующий шаг - расширить интегрированную систему улавливания и конверсии углерода, чтобы производить этилен с более высокими скоростями - 1 килограмм в день и улавливать углерод со скоростью, превышающей килограммы в день".

Соавторами исследования являются Адитья Праджапати и Рохан Сартапе из МСЖД, а также Мигель Галанте, Джиахан Се, Сэмюэль Люнг, Иван Бесса, Марсио Андрад, Роберт Сомич, Марсио Ребукас, Гас Хутрас и Наталия Диниз из Браскема. Исследования по разработке этой технологии получили поддержку Министерства энергетики США (DE-SC-0022321) и Braskem.