Una membrana liquida a bolle per catturare la CO2?

I ricercatori americani dei Sandia National Laboratories insieme ai colleghi dell'Università del New Mexico (UNM) hanno progettato un nuovo modo per catturare l'anidride carbonica “prodotta” dalle centrali elettriche alimentate a petrolio e carbone utilizzando una membrana a bolle che imita la natura per ridurre le emissioni di CO2 in modo efficiente.

Immagine - La ricercatrice Susan Rempe dei Sandia National Laboratories mentre guarda attraverso le bolle del sistema per catturare la CO2. La membrana è in grado di catturare l’anidride carbonica emessa dalle centrali elettriche a carbone ed è 10 volte più sottile di una bolla di sapone. Credit: Randy Montoya

L'anidride carbonica è uno dei principali gas serra

L’anidride carbonica (CO2) è uno dei principali gas serra, negli Stati Uniti esistono circa 600 centrali elettriche a carbone che solo nel 2015 hanno emesso più di un quarto delle emissioni di CO2 totali degli USA. Quando nei calcoli vengono incluse le emissioni provenienti dagli impianti alimentati a gas naturale, la cifra arriva ad un valore di quasi il 40%.

Le attuali tecnologie commerciali per catturare queste emissioni utilizzano liquidi costosi basati sulle ammine in grado di assorbire la CO2. Questo metodo consuma circa un terzo dell'energia generata dall'impianto e necessita di strutture di grandi dimensioni che lavorano a pressioni elevate.

Il piano del dipartimento americano degli USA per ottenere energia pulita

Il dipartimento dell'energia degli Stati Uniti sta promuovendo lo sviluppo di una tecnologia di seconda generazione, entro il 2025, in grado di catturare il 90% delle emissioni di CO2 ad un costo competitivo di 40 dollari per tonnellata.

La nuova membrana sviluppata dai ricercatori rappresenta la prima tecnologia di cattura della CO2 in grado di soddisfare effettivamente i requisiti del piano nazionale per l’energia pulita fissato dal dipartimento americano. All’inizio di quest’anno gli scienziati hanno ottenuto il brevetto per la loro innovazione.

Un inizio promettente per la nuova membrana cattura CO2

Nonostante lo sviluppo di questa membrana per la cattura dell’anidride carbonica sia soltanto all’inizio i ricercatori sono convinti che tale tecnologia potrà avere un impatto significativo sull’ambiente.

Per ora i risultati si basano sulle prestazioni ottenute in laboratorio. «Se applicassimo la nostra tecnologia ad una singola centrale elettrica a carbone in un anno potremmo evitare di immettere nell’atmosfera un quantitativo di CO2 corrispondente all’effetto che otterremmo piantando e lasciando crescere 63 milioni di alberi per 10 anni» scrive Susan Rempe, biofisico computazionale dei laboratori Sandia e uno degli sviluppatori principali della tecnologia.

Le membrane solitamente garantiscono portate elevate senza discriminare tra molecole oppure possiedono una selettività elevata per una particolare molecola e basse portate.

Il team di ricercatori della dott.ssa Rempe insieme al team del dott. Jiang Ying-Bing (professore di ingegneria chimica e nucleare presso l’Università del New Mexico) hanno unito le forze per combinare insieme due recenti, importanti progressi tecnologici per produrre una membrana 100 volte più veloce nel filtrare i fumi rispetto a qualsiasi altra membrana attualmente presente sul mercato ed è dalle 10 alle 100 volte più selettiva per quanto riguarda la CO2 presente insieme all’azoto, il principale gas presente nei fumi di scarico.

 

Membrana liquida a “bolle” stabilizzata

Durante uno degli esperimenti il dott. Jiang stava monitorando la cattura della CO2 da parte di una membrana a base di ceramica utilizzando un misuratore di portata a bolle quando ha avuto un pensiero rivoluzionario: cosa succederebbe se utilizzassimo una sottile membrana liquida simile ad una bolla di sapone per separare l’anidride carbonica dai gas che contengono altre molecole come ad esempio azoto e ossigeno?

 

Quando si effettua la separazione di un gas lo spessore rappresenta un elemento importante, più è sottile e maggiore sarà la velocità di separazione dei gas. Le membrane per catturare la CO2 a base di polimeri possono essere fatte di un materiale simile a quello utilizzato per i pannolini, sono l’equivalente di una fila di caselli autostradali: rallentano tutto ciò che arriva in prossimità lasciando passare solo le molecole giuste. Quindi le molecole devono attraversare lunghe distanze attraversano la membrana fino a raggiungere la fila successiva di “caselli”. Una membrana con uno spessore ridotto del 50% permette alle molecole di spostarsi su distanze anch’esse ridotte del 50%, questo vuol dire accelerare il processo di separazione.

La CO2 si muove, o per meglio dire si diffonde, da un’area della centrale elettrica dove è presente in misura maggiore nei fumi (raggiungendo una concentrazione fino al 15%) fino ad un’area dove è scarsamente presente. La diffusione è più veloce in aria e più lenta attraverso i solidi, motivo per cui l’elio si diffonde lentamente attraverso le pareti di un palloncino, facendolo sgonfiare. Così, la diffusione attraverso una membrana liquida sarebbe 100 volte più veloce della diffusione che avviene attraverso una membrana solida convenzionale.

 

Le bolle di sapone sono molto sottili, circa 200 volte più sottili di un capello umano, ma sono anche fragili. Anche il tocco più leggero può farle scoppiare. Il dott. Jiang insieme al collega dott. Yaqin Fu stavano cercando un modo per stabilizzare la membrana ultra sottile.

Per fortuna, il dott. Jeff Brinker, un altro degli sviluppatori della membrana nonché professore all’Università del New Mexico, si occupa di studiare materiali compositi come la silice porosa. Modificando la silice porosa sviluppata dal dott. Brinker il team di ricercatori è stato in grado di produrre un supporto per la membrana a base di silice che è riuscito a stabilizzare uno strato acquoso 10 volte più sottile di una bolla di sapone. Combinando uno strato idrorepellente relativamente spesso insieme ad un sottile strato idrofilo (tende cioè ad assorbire acqua) gli scienziati sono riusciti a realizzare minuscoli nanopori che sono in grado di proteggere la membrana liquida in modo che non scoppi o fuoriesca.

 

L’acqua saturata dagli enzimi accelera l’assorbimento della CO2

 

La membrana ideata dai ricercatori è stata chiamata Memzyme ( – zyme sta per enzyme, enzima; mem – deriva dalla parola membrane, ossia membrana) per via degli enzimi utilizzati durante la sua realizzazione. Gli enzimi sono catalizzatori biologici che accelerano le reazioni chimiche. Anche il processo per sciogliere la CO2 in acqua può essere velocizzato utilizzando l’anidrasi carbonica, un enzima che unisce la CO2 con l’acqua (H2O) per ottenere il l’acido carbonico (H2CO3) ad un tasso incredibile di reazioni, 1 milione al secondo. Questo enzima può essere trovato nei nostri muscoli, nel sangue e nei polmoni per aiutarci a sbarazzarsi della CO2.

La dott.ssa Rempe e il suo ex collega Dian Jiao stavano studiando in che modo la CO2 viene disciolta in acqua con e senza questo enzima.

Membrana liquida a “bolle” stabilizzata

Durante uno degli esperimenti il dott. Jiang stava monitorando la cattura della CO2 da parte di una membrana a base di ceramica utilizzando un misuratore di portata a bolle quando ha avuto un pensiero rivoluzionario: cosa succederebbe se utilizzassimo una sottile membrana liquida simile ad una bolla di sapone per separare l’anidride carbonica dai gas che contengono altre molecole come ad esempio azoto e ossigeno?

Quando si effettua la separazione di un gas lo spessore rappresenta un elemento importante, più è sottile e maggiore sarà la velocità di separazione dei gas.

Le membrane per catturare la CO2 a base di polimeri possono essere fatte di un materiale simile a quello utilizzato per i pannolini, sono l’equivalente di una fila di caselli autostradali: rallentano tutto ciò che arriva in prossimità lasciando passare solo le molecole giuste.

Quindi le molecole devono attraversare lunghe distanze attraversano la membrana fino a raggiungere la fila successiva di “caselli”. Una membrana con uno spessore ridotto del 50% permette alle molecole di spostarsi su distanze anch’esse ridotte del 50%, questo vuol dire accelerare il processo di separazione.

La CO2 si muove, o per meglio dire si diffonde, da un’area della centrale elettrica dove è presente in misura maggiore nei fumi (raggiungendo una concentrazione fino al 15%) fino ad un’area dove è scarsamente presente.

La diffusione è più veloce in aria e più lenta attraverso i solidi, motivo per cui l’elio si diffonde lentamente attraverso le pareti di un palloncino, facendolo sgonfiare. Così, la diffusione attraverso una membrana liquida sarebbe 100 volte più veloce della diffusione che avviene attraverso una membrana solida convenzionale.

Le bolle di sapone sono molto sottili, circa 200 volte più sottili di un capello umano, ma sono anche fragili. Anche il tocco più leggero può farle scoppiare. Il dott. Jiang insieme al collega dott. Yaqin Fu stavano cercando un modo per stabilizzare la membrana ultra sottile.

Per fortuna, il dott. Jeff Brinker, un altro degli sviluppatori della membrana nonché professore all’Università del New Mexico, si occupa di studiare materiali compositi come la silice porosa.

Modificando la silice porosa sviluppata dal dott. Brinker il team di ricercatori è stato in grado di produrre un supporto per la membrana a base di silice che è riuscito a stabilizzare uno strato acquoso 10 volte più sottile di una bolla di sapone.

Combinando uno strato idrorepellente relativamente spesso insieme ad un sottile strato idrofilo (tende cioè ad assorbire acqua) gli scienziati sono riusciti a realizzare minuscoli nanopori che sono in grado di proteggere la membrana liquida in modo che non scoppi o fuoriesca.

L’acqua saturata dagli enzimi accelera l’assorbimento della CO2

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La membrana ideata dai ricercatori è stata chiamata Memzyme ( –zyme sta per enzyme, enzima; mem – deriva dalla parola membrane, ossia membrana) per via degli enzimi utilizzati durante la sua realizzazione. Gli enzimi sono catalizzatori biologici che accelerano le reazioni chimiche.

Anche il processo per sciogliere la CO2 in acqua può essere velocizzato utilizzando l’anidrasi carbonica, un enzima che unisce la CO2 con l’acqua (H2O) per ottenere il l’acido carbonico (H2CO3) ad un tasso incredibile di reazioni, 1 milione al secondo.

Questo enzima può essere trovato nei nostri muscoli, nel sangue e nei polmoni per aiutarci a sbarazzarsi della CO2.

La dott.ssa Rempe e il suo ex collega Dian Jiao stavano studiando in che modo la CO2 viene disciolta in acqua con e senza questo enzima.

Pensavano che l'enzima potesse combinarsi con qualcosa come la membrana acquosa del dott. Jiang per accelerare la cattura della CO2. Una membrana saturata con enzimi è quasi come un sistema elettronico per la riscossione del pedaggio. L'enzima accelera la dissoluzione della CO2 nell'acqua di un fattore pari a 10 milioni, senza interagire con altri gas come l’azoto o l’ossigeno.

In altre parole, Memzyme accetta e rilascia soltanto la CO2, abbastanza velocemente in modo da far avvenire la diffusione senza ostacoli. Questa innovazione rende il Memzyme 10 volte più selettivo mantenendo una portata eccezionalmente alta rispetto alla maggior parte dei concorrenti che utilizza processi fisici più lenti come la diffusione attraverso i solidi.

Tuttavia, i nanopori nella membrana sono molto piccoli, solo un po' più larghi e un paio di volte più alti dell'enzima stesso.

«Cosa sta accadendo all'enzima sotto confinamento? Cambia forma? È stabile? Si attacca alle pareti? Quanti enzimi sono lì dentro?» scrive la dott.ssa Rempe.

La dott.ssa Rempe e il dott. Juan Vanegas hanno progettato delle simulazioni molecolari per modellare ciò che accade all'enzima all’interno dello spazio in cui agisce per migliorarne le prestazioni. L'enzima in realtà sembra trovarsi a suo agio nell’ambiente "affollato", forse perché in qualche modo viene imitato l'ambiente che si trova all’interno del corpo umano.

Un nanoporo può essere attraversato da una sequenza di enzimi che portano la CO2, in modo del tutto simile a quello che fanno i corridori durante una staffetta mentre si passano il testimone. A causa della struttura unica della membrana, gli enzimi restano disciolti e attivi ad una concentrazione 50 volte superiore rispetto ai dispositivi concorrenti che utilizzano l'enzima solo in acqua. Ecco come avere 50 corsie per il pagamento elettronico del pedaggio invece di una sola. Protetto all'interno dei nanopori, l'enzima è ancora efficiente e dura per mesi anche a una temperatura di 60 ℃.

Verso un futuro più verde?

Dopo aver testato Memzyme con successo in laboratorio, i ricercatori sono alla ricerca di partner per sviluppare la tecnologia su scala industriale.

Ogni singola fase del processo produttivo può essere scalata (può essere cioè portata su scala industriale) ma deve essere ottimizzata per rendere la membrana adatta alle grandi centrali elettriche.

Inoltre, i ricercatori sono alla ricerca di alternative più stabili per la forma comune dell'enzima, come ad esempio gli enzimi termofili che vivono nelle acque termali del parco nazionale di Yellowstone. In alternativa, Memzyme, potrebbe utilizzare enzimi differenti per depurare altri gas, ad esempio trasformando il gas metano in metanolo solubile per ottenere metano purificato per essere utilizzato nell'industria del gas naturale.

Memzyme produce il 99% di CO2 pura che può essere utilizzata in diversi settori industriali. Ad esempio, alcune compagnie petrolifere americane acquistano 30 milioni di tonnellate di anidride carbonica pura per il recupero avanzato del petrolio. Le emissioni di CO2 potrebbero inoltre nutrire le alghe per la produzione di biocarburanti oppure potrebbero essere utilizzate nell'industria chimica e per produrre bevande gassate.

 

«La partnership tra i laboratori Sandia e la UNM è risultata feconda sia a livello teorico sia pratico, come già avventuto in un precedente lavoro di ricerca finalizzato alla progettazione di membrane per la purificazione dell’acqua. Insieme abbiamo sviluppato una membrana che ha sia elevata selettività sia flusso veloce per la CO2. Con l'ottimizzazione a livello industriale,  Memzyme potrebbe rappresentare la soluzione che stiamo cercando per generare elettricità pulita per l’ambiente e vantaggiosa economicamente» scrive Rempe.
 

La tecnologia progettata dai ricercatori, se sviluppata, potrà forse aiutare a ridurre l'emissione di CO2 nell'atmosfera causata dalle centrali a carbone, tuttavia la transizione verso fonti alternative per la produzione di energia elettrica è ormai diventata un'esigenza inderogabile e non dovrà essere messa in secondo piano.

Riferimento:

Ying-Bing Jiang et al.
Sub-10 nm Thick Microporous Membranes Made by Plasma-Defined Atomic Layer Deposition of a Bridged Silsesquioxane Precursor, Journal of the American Chemical Society (2007). DOI: 10.1021/ja0773756