Le boursier de Sandia National Laboratories et professeur des régents de l'Université du Nouveau-Mexique, Jeff Brinker, a dirigé les travaux visant à développer le memzyme peu coûteux capable de débarrasser la fumée de charbon du dioxyde de carbone, le gaz à effet de serre le plus répandu. Crédit :Randy Montoya
Une membrane d'inspiration biologique destinée à nettoyer presque complètement le dioxyde de carbone de la fumée des centrales électriques au charbon a été développée par des scientifiques des laboratoires nationaux Sandia et de l'Université du Nouveau-Mexique.
L'œuvre brevetée, signalé récemment dans Communication Nature , a intéressé des sociétés d'électricité et d'énergie qui souhaitent réduire de manière significative et à moindre coût les émissions de dioxyde de carbone, l'un des gaz à effet de serre les plus répandus, et explorer d'autres utilisations possibles de l'invention.
Le memzyme répond aux normes du ministère de l'Énergie en capturant 90 pour cent de la production de dioxyde de carbone des centrales électriques à un coût relativement bas de 40 $ la tonne.
Les chercheurs appellent la membrane un "memzyme" car elle agit comme un filtre mais est presque saturée d'une enzyme, anhydrase carbonique, développé par des cellules vivantes sur des millions d'années pour aider à se débarrasser efficacement et rapidement du dioxyde de carbone.
"À ce jour, l'élimination du dioxyde de carbone de la fumée a été d'un coût prohibitif en utilisant l'épais, solide, membranes polymères actuellement disponibles, " dit Jeff Brinker, un gars de Sandia, Professeur des régents de l'Université du Nouveau-Mexique et auteur principal de l'article.
"Notre méthode peu coûteuse suit l'exemple de la nature dans notre utilisation d'une membrane à base d'eau de seulement 18 nanomètres d'épaisseur qui incorpore des enzymes naturelles pour capturer 90 pour cent du dioxyde de carbone libéré. (Un nanomètre représente environ 1/700 du diamètre d'un cheveu humain.) C'est presque 70 pour cent de mieux que les méthodes commerciales actuelles, et c'est fait à une fraction du coût."
Les centrales électriques au charbon sont l'un des plus grands producteurs d'énergie des États-Unis, mais ils ont été critiqués par certains pour avoir envoyé plus de dioxyde de carbone dans l'atmosphère que toute autre forme de production d'électricité. Toujours, la combustion du charbon en Chine, L'Inde et d'autres pays signifient que l'abstinence américaine à elle seule n'est pas susceptible de résoudre les problèmes climatiques mondiaux.
Mais, dit Brinker, "peut-être que la technologie le fera."
La formation de l'appareil commence par un processus de séchage appelé auto-assemblage induit par évaporation, développé pour la première fois chez Sandia par Brinker il y a 20 ans et un domaine d'études à part entière.
Conception de membrane liquide enzymatique et mécanisme de capture et de séparation du dioxyde de carbone. La membrane Sandia/Université du Nouveau-Mexique est fabriquée par formation de mésopores de 8 nanomètres de diamètre. En utilisant le dépôt de couche atomique et le traitement au plasma d'oxygène, les mésopores de silice sont conçus pour être hydrophobes à l'exception d'une région de 18 nm de profondeur à la surface des pores qui est hydrophile. Par condensation capillaire, des enzymes anhydrase carbonique et de l'eau remplissent spontanément les mésopores hydrophiles pour former un réseau d'enzymes stabilisées avec une concentration efficace supérieure à 10 fois celle pouvant être obtenue en solution. Ceux-ci catalysent la capture et la dissolution du dioxyde de carbone en surface amont et la régénération du dioxyde de carbone en surface aval. La concentration élevée en enzyme et le chemin de diffusion court maximisent l'efficacité de capture et le flux. Crédit :Laboratoires nationaux Sandia
La procédure crée un réseau compact de nanopores de silice conçus pour accueillir l'enzyme anhydrase carbonique et la maintenir stable. Cela se fait en plusieurs étapes. D'abord, le tableau, qui peut mesurer 100 nanomètres de long, est traité avec une technique appelée dépôt de couche atomique pour rendre la surface des nanopores résistante à l'eau ou hydrophobe. Ceci est suivi d'un traitement au plasma d'oxygène qui recouvre la surface réfractaire à l'eau pour rendre les nanopores hydrophiles ou hydrophiles, mais seulement à une profondeur de 18 nanomètres. Une solution de l'enzyme et de l'eau se remplit spontanément et se stabilise dans la partie des nanopores qui aime l'eau. Cela crée des membranes d'eau de 18 nanomètres d'épaisseur, avec une concentration en anhydrase carbonique 10 fois supérieure aux solutions aqueuses réalisées à ce jour.
La solution, à la maison dans sa manche amoureuse de l'eau, est stable. Mais en raison de la capacité de l'enzyme à dissoudre rapidement et sélectivement le dioxyde de carbone, la membrane catalytique a la capacité de capturer l'écrasante majorité des molécules de dioxyde de carbone qui la frôlent à partir d'un nuage ascendant de fumée de charbon. Les molécules accrochées traversent alors rapidement les membranes, entraîné uniquement par un gradient de pression naturel causé par le grand nombre de molécules de dioxyde de carbone d'un côté de la membrane et leur absence relative de l'autre. Le processus chimique transforme brièvement le gaz en acide carbonique puis en bicarbonate avant de sortir immédiatement en aval sous forme de gaz carbonique. Le gaz peut être récolté avec une pureté de 99 pour cent, si pur qu'il pourrait être utilisé par les compagnies pétrolières pour l'extraction de ressources. D'autres molécules passent par la surface de la membrane sans être dérangées. L'enzyme est réutilisable, et parce que l'eau sert de médium plutôt que d'acteur, n'a pas besoin de remplacement.
Les nanopores se dessèchent sur de longues périodes de temps en raison de l'évaporation. Ceci sera vérifié par la vapeur d'eau s'élevant des bains-marie inférieurs déjà installés dans les centrales électriques pour réduire les émissions de soufre. Et, les enzymes endommagées par l'utilisation au fil du temps peuvent facilement être remplacées.
dit Brinker, « La très forte concentration en anhydrase carbonique, avec la finesse du canal d'eau, entraîner un flux de dioxyde de carbone très élevé à travers la membrane. Plus la concentration en anhydrase carbonique est élevée, plus le flux est important. Plus la membrane est fine, plus le flux est grand."
La disposition de la membrane dans le conduit de fumée d'une centrale serait comme celle d'un convertisseur catalytique dans une voiture, suggère Brinker. Les membranes reposeraient sur la surface intérieure d'un tube disposé comme un nid d'abeilles. Le gaz de combustion s'écoulerait à travers le tube à membrane encastrée, avec un flux de gaz exempt de dioxyde de carbone à l'extérieur des tubes. La variation de la longueur et du diamètre du tube optimiserait le processus d'extraction du dioxyde de carbone.
« Les sociétés énergétiques et les services publics de pétrole et de gaz ont exprimé leur intérêt pour l'optimisation des filtres à gaz pour des conditions spécifiques, " dit Susan Rempe, chercheur et co-auteur de Sandia, qui a suggéré et développé l'idée d'insérer de l'anhydrase carbonique dans la solution aqueuse pour améliorer la vitesse à laquelle le dioxyde de carbone pourrait être absorbé et libéré de la membrane. "L'enzyme peut catalyser la dissolution d'un million de molécules de dioxyde de carbone par seconde, améliorant considérablement la vitesse du processus. Avec optimisation par industrie, le memzyme pourrait rendre la production d'électricité bon marché et verte, " elle dit.
Le procédé de séparation pourrait augmenter la quantité de carburant obtenue par récupération assistée du pétrole à l'aide de dioxyde de carbone injecté dans les réservoirs existants.
Une enzyme légèrement différente, utilisé dans le même processus, peut convertir le méthane - un gaz à effet de serre encore plus puissant - en méthanol plus soluble pour l'élimination, elle dit.
Un nettoyage préalable par des laveurs industriels signifie que la fumée montante sera suffisamment propre pour ne pas altérer de manière significative l'efficacité de la membrane, déclare Ying-Bing Jiang, professeur et co-auteur de l'article à l'Université du Nouveau-Mexique, qui est à l'origine et a développé l'idée d'utiliser des membranes aqueuses basées sur les processus du corps humain pour séparer le dioxyde de carbone. Les membranes ont fonctionné efficacement en laboratoire pendant des mois.
La procédure pourrait également séquestrer du dioxyde de carbone sur un vaisseau spatial, les auteurs mentionnent, parce que les membranes fonctionnent à des températures ambiantes et sont entraînées uniquement par des gradients chimiques.
