Утилизация углекислого газа
Утилизация углекислого газа с использованием MOF, более чем в 10 раз превышающая эффективность традиционных методов, будет введена в практическое использование после 2030 года.
Применение MOF для улавливания углекислого газа (CO2) переходит от фундаментальных исследований к стадии социального внедрения. На фото демонстрация на заводе Crassus Chemical в Оите (источник: Crassas Chemical).
Металлоорганические структуры (MOF), которые, как ожидается, станут козырной картой для улавливания углекислого газа (CO2), перешли от фундаментальных исследований к этапу социального внедрения. Компании и исследовательские институты готовятся к практическому использованию примерно к 2030 году. Используя MOF, можно будет улавливать более чем в 10 раз больше CO2, чем традиционные методы.
«Резервуар, наполненный MOF, может хранить примерно в 18 раз больше CO2, чем раньше». Омар Яги из Калифорнийского университета в Беркли, лауреат Нобелевской премии по химии 2025 года, в своей памятной лекции подчеркнул способность MOF хранить CO2. MOF специализируется на безопасном и компактном хранении газа.
В настоящее время для извлечения CO2 широко используется «метод абсорбции аминов». Хотя энергоэффективность этого метода невысока, стоимость установки оборудования относительно невысока. Кроме того, компания имеет многолетний опыт эксплуатации. С другой стороны, хотя МОК обладают высокой теоретической энергоэффективностью, их материальные затраты и затраты на установку оборудования чрезвычайно высоки.
アミン法に対して技術的に優位 Технически превосходство аминного метода
Вот перевод представленного текста на русский язык:
Несмотря на существующие вызовы, производители материалов и химической продукции по всему миру ведут жесткую конкурентную борьбу в области разработки металл-органических каркасных структур (MOF). Причиной тому — не только упомянутая ранее высокая емкость хранения, но и ожидания, что MOF позволят существенно снизить эксплуатационные расходы на улавливание CO2 по сравнению с методом аминовой абсорбции.
Методы химической абсорбции, к которым относится и аминовая абсорбция, основаны на создании прочных химических связей между щелочным аминовым раствором и кислотным CO2. Несмотря на высокую силу адсорбции, камнем преткновения здесь является этап разделения (регенерации). Чтобы высвободить связанный углекислый газ и повторно использовать аминовый раствор, требуется постоянный нагрев до температур свыше 120°C. Из-за этого энергоэффективность метода остается низкой, а эксплуатационные расходы — высокими.
В свою очередь, MOF адсорбируют CO2 физически. Поскольку удержание газа происходит за счет слабых взаимодействий (таких как силы Ван-дер-Ваальса), десорбция теоретически возможна при крайне низких затратах энергии. Особого внимания заслуживают MOF с функцией так называемой «гейт-адсорбции» (S-образная изотерма адсорбции): их структура гибко меняется, и при достижении определенного порога давления они, подобно переключателю, начинают активно поглощать CO2, а при падении давления ниже этого значения — мгновенно его высвобождать.
До недавнего времени исследования разделения газов с помощью пористых материалов были сосредоточены преимущественно на бинарных смесях. И если простые пары (например, CO2 и азот) удавалось разделить, то в сложных смесях из множества газов со схожими свойствами эффективность резко падала. Специальный профессор Киотского университета Сусуму Китагава, разделивший Нобелевскую премию по химии с Омаром Ягхи, добился успеха в блокировке девяти типов схожих газов (включая азот, метан и водород), содержащихся в промышленных выбросах, научившись открывать «ворота» (gate) исключительно для молекул CO2.
До адсорбции CO2 (слева) зазор делится на карманы, но после адсорбции CO2 (справа) он превращается в связанную структуру, подобную одномерному каналу (Источник: iCeMS, Киотский университет)
Используя эти характеристики, воротные адсорбенты можно регенерировать при низких температурах (около 60–80 градусов Цельсия) и с небольшой разгерметизацией. В результате, по оценкам, энергия, необходимая для регенерации, может быть снижена на 20–40% по сравнению с методом абсорбции аминов. Другими словами, MOF теоретически облегчает снижение эксплуатационных расходов. Ожидается, что MOF можно будет применять для улавливания выхлопных газов низкой концентрации и низкого давления, что считается неподходящим из-за высоких эксплуатационных затрат на метод абсорбции аминов, что делает его нерентабельным.
«Несмотря на множество преимуществ MOF, в сфере улавливания CO2 существуют две основные проблемы: низкая прочность и сложность в обращении».