Catturare anidride carbonica con l’umidità dell’aria: un nuovo studio
I ricercatori dell’Università di Newcastle hanno sviluppato una nuova membrana in grado di estrarre l’anidride carbonica dall’aria.
La cattura diretta dell’aria è stata identificata come una delle “Sette trasformazioni in campo chimico che cambieranno il mondo”. Questo perché, sebbene l’anidride carbonica sia il principale responsabile del cambiamento climatico (ogni anno ne immettiamo nell’atmosfera circa 40 miliardi di tonnellate), la separazione dell’anidride carbonica dall’aria è molto impegnativa a causa della sua concentrazione diluita (~0,04%).
“I processi di separazione per diluizione sono le separazioni più difficili da eseguire per due motivi fondamentali. In primo luogo, a causa della bassa concentrazione, la cinetica (velocità) delle reazioni chimiche finalizzate alla rimozione del componente diluito è molto lenta. In secondo luogo, la concentrazione del componente diluito richiede molta energia”. Così afferma il professor Ian Metcalfe, titolare della cattedra di tecnologie emergenti presso la School of Engineering dell’Università di Newcastle.
Queste sono le due sfide che i ricercatori di Newcastle hanno voluto affrontare con il loro nuovo processo a membrana. Utilizzando le differenze di umidità presenti in natura come forza motrice per pompare l’anidride carbonica dall’aria, il team ha risolto la sfida energetica. La presenza di acqua ha anche accelerato il trasporto dell’anidride carbonica attraverso la membrana, affrontando la sfida cinetica.
Separation and concentration of CO2 from air using a humidity-driven molten-carbonate membrane. Nat Energy (2024).
“La cattura diretta dell’aria sarà una componente chiave del sistema energetico del futuro. Sarà necessaria per catturare le emissioni di fonti mobili e distribuite di anidride carbonica che non possono essere facilmente decarbonizzate in altri modi. Nel nostro lavoro, presentiamo la prima membrana sintetica in grado di catturare l’anidride carbonica dall’aria e di aumentarne la concentrazione senza un apporto energetico tradizionale come il calore o la pressione. Credo che un’analogia utile possa essere la ruota idraulica di un mulino. Mentre un mulino utilizza il trasporto dell’acqua in discesa per la macinazione, noi lo usiamo per pompare l’anidride carbonica dall’aria.”. Spiega il dottor Greg A. Mutch, borsista presso la Scuola di Ingegneria dell’Università di Newcastle.
Processi di separazione
I processi di separazione sono alla base della maggior parte degli aspetti della vita moderna. Dal cibo che mangiamo, alle medicine che assumiamo, ai carburanti o alle batterie della nostra auto, la maggior parte dei prodotti che utilizziamo sono stati sottoposti a diversi processi di separazione. Inoltre, i processi di separazione sono importanti per ridurre al minimo i rifiuti e la necessità di risanamento ambientale, come la cattura diretta dell’anidride carbonica nell’aria.
Tuttavia, in un mondo che si muove verso un’economia circolare, i processi di separazione diventeranno ancora più critici. In questo caso, la cattura diretta dell’aria potrebbe essere utilizzata per fornire anidride carbonica come materia prima per la produzione di molti dei prodotti a base di idrocarburi che utilizziamo oggi, ma in un ciclo a zero emissioni di carbonio, o addirittura a zero emissioni.
Soprattutto, accanto alla transizione verso le energie rinnovabili e alla tradizionale cattura del carbonio da fonti puntuali come le centrali elettriche, la cattura diretta dell’aria è necessaria per realizzare gli obiettivi climatici, come l’obiettivo di 1,5 °C fissato dall’Accordo di Parigi.
La membrana azionata dall’umidità
“Come descritto nel documento di ricerca, il team ha testato una nuova membrana permeabile all’anidride carbonica con una varietà di differenze di umidità applicate attraverso di essa. Quando l’umidità era più alta sul lato di uscita della membrana, la membrana pompava spontaneamente anidride carbonica in quel flusso di uscita”. Spiega il dottor Evangelos Papaioannou, docente senior presso la Scuola di Ingegneria dell’Università di Newcastle.
Utilizzando la tomografia microcomputerizzata a raggi X con i colleghi dell’University College London e dell’Università di Oxford, il team è riuscito a caratterizzare con precisione la struttura della membrana. In questo modo è stato possibile fornire un robusto confronto delle prestazioni con altre membrane all’avanguardia.
Un aspetto fondamentale del lavoro è stata la modellazione dei processi che avvengono nella membrana su scala molecolare. Utilizzando calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità, il team ha identificato dei “vettori” all’interno della membrana. Il vettore trasporta in modo univoco sia l’anidride carbonica che l’acqua, ma nient’altro. L’acqua è necessaria per rilasciare l’anidride carbonica dalla membrana e l’anidride carbonica è necessaria per rilasciare l’acqua. Per questo motivo, l’energia derivante da una differenza di umidità può essere utilizzata per spingere l’anidride carbonica attraverso la membrana da una concentrazione bassa a una più alta.
Fonte articolo: humidity-driven membrane – Press Office – Newcastle University – Immagine di Chris LeBoutillier
