Заводские выбросы научились превращать в сырьё для топлива без очистки CO₂

Международная группа ученых разработала электрохимический метод, позволяющий использовать углекислый газ непосредственно из промышленных выбросов без предварительного выделения и глубокой очистки. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Технология преобразует CO₂ в монооксид углерода, или угарный газ. В промышленности он используется вместе с водородом в составе синтез-газа — сырья для получения жидкого топлива, метанола и других химических продуктов. Поэтому речь идёт не о готовом топливе, а о производстве одного из его возможных компонентов.

Обычные системы улавливания требуют сначала отделить углекислый газ от азота, кислорода, водяного пара и других компонентов дымовых газов. Затем концентрированный CO₂ необходимо освободить из поглощающего раствора и подать на отдельную установку переработки. Эти стадии требуют дополнительного оборудования и значительных затрат энергии.

Исследователи из Университета Монпелье и Университета Аделаиды попытались объединить улавливание и преобразование углерода в одном процессе. Для этого они подобрали смесь органических растворителей, в которой ослаблены водородные связи между молекулами.

Такое изменение среды подавляет побочные реакции с кислородом и образование водорода, одновременно повышая избирательность восстановления CO₂ до монооксида углерода. Авторы называют подход прямым реактивным улавливанием: загрязнённый газ поступает непосредственно в электрохимическую систему, минуя отдельную стадию получения чистого CO₂.

Испытания проводились не на выбросах действующего предприятия, а на лабораторной смеси, имитирующей дымовой газ. Она содержала 15% углекислого газа и 8% кислорода, остальную часть составлял преимущественно азот.

При таких условиях система обеспечила почти стопроцентную фарадеевскую эффективность образования монооксида углерода. Иными словами, практически весь электрический заряд, участвовавший в основной реакции, направлялся на получение целевого продукта, а не на побочные процессы.

Установка проработала более 100 часов без заметного снижения характеристик. Энергозатраты составили 30,7 гигаджоуля на тонну произведённого монооксида углерода. Исследователи также подключили систему к высокоэффективному солнечному элементу и получили коэффициент преобразования солнечной энергии в химическую около 5,5%.

Авторы считают, что технология потенциально может применяться на предприятиях металлургии, цементной промышленности, производства глинозёма, химической отрасли и энергетики. Именно эти производства формируют крупные стационарные потоки углекислого газа, однако его концентрация и состав выбросов различаются.

Главное возможное преимущество метода — отказ от отдельной энергоёмкой установки очистки CO₂. Если результаты удастся воспроизвести в промышленном масштабе, предприятия смогут одновременно сокращать выбросы и получать товарное химическое сырьё.

Однако пока технология находится на лабораторной стадии. В эксперименте использовалась контролируемая смесь трёх основных газов. Реальные выбросы также могут содержать оксиды серы и азота, водяной пар, пыль, сажу, тяжёлые металлы и другие примеси, способные отравлять катализатор или изменять работу растворителя.

Не представлена и полная оценка углеродного баланса. Климатический эффект будет зависеть от источника электроэнергии, срока службы растворителя и оборудования, дальнейшего применения монооксида углерода и того, вернётся ли содержащийся в продукте углерод в атмосферу при сжигании произведённого топлива.

Поэтому технология пока не означает безуглеродного производства. Скорее она предлагает способ повторно использовать часть CO₂, который иначе был бы сразу выброшен в атмосферу, и одновременно сократить затраты на его очистку.

Следующим этапом должны стать испытания на реальных промышленных газах, увеличение продолжительности работы и оценка экономики процесса. Только после этого можно будет определить, способен ли метод конкурировать с традиционным улавливанием углерода и производством синтез-газа.