노스웨스턴 대학교(Northwestern University)는 일련의 이온을 사용하여 낮은 습도에서 이산화탄소를 포집하고 높은 습도에서 방출하는 직접 공기 탄소 포집(DAC)을 위한 "습도 스윙" 기술을 개발했습니다. 이 연구는 DAC에 대한 이해를 높이고 기존 기술보다 에너지 효율적인 탄소 포집 방법을 제공합니다.
세계 사회가 산업 생산의 탈탄소화를 향해 나아가면서 대기 중 새로운 탄소 생성을 방지하는 것뿐만 아니라 이미 존재하는 이산화탄소를 추출하는 것도 필요합니다.
전통적인 탄소 포집은 탄소가 많은 공정에서 배출 지점에서 이산화탄소를 수집하는 데 중점을 두는 반면, DAC(직접 공기 포집)는 일반적인 대기 조건에서 탄소를 추출합니다. 특히 화석 연료에 대한 의존도가 감소하고 원천에서 탄소를 포집해야 할 필요성이 감소함에 따라 이러한 접근 방식은 기후 변화에 맞서 싸우는 데 점점 더 중요해지고 있습니다. 과학자들은 습도 기술을 사용하여 저에너지 탄소 격리에 기여하는 몇 가지 새로운 이온을 발견했습니다.
노스웨스턴 대학교의 새로운 연구에서는 시스템 내 물과 이산화탄소의 관계를 조사하여 주변 조건에서 탄소를 포집하는 새로운 방법을 보여 주었으며, 습도가 낮을 때 이산화탄소를 포집하고 습도가 높을 때 방출하는 "습도 스윙" 기술을 알려줍니다. 이 방법은 혁신적인 동역학 방법과 다양한 이온을 결합하여 거의 모든 곳에서 탄소를 제거합니다.
이번 연구는 최근 환경과학과 기술(Environmental Science and Technology) 저널에 게재됐다.
이번 연구의 수석 저자인 노스웨스턴 대학의 Vinayak P. Dravid는 "우리는 탄소 포집 이온의 선택을 확장하고 최적화했을 뿐만 아니라 복잡한 유체 표면 상호 작용의 기본을 밝히는 데 도움을 주었습니다. 이 연구는 DAC에 대한 우리의 집단적 이해를 발전시켰으며 우리의 데이터와 분석은 이론가와 실험가가 실제 조건에서 탄소 포집을 더욱 향상시킬 수 있는 강력한 동기를 제공합니다."라고 말했습니다.
Dravid는 Northwestern University의 McCormick School of Engineering 재료 과학 및 공학과의 Abraham-Harris 교수이자 International Nanotechnology Institute의 글로벌 이니셔티브 책임자입니다. 박사과정 학생인 John Hegarty와 Benjamin Shindel은 이 논문의 공동 첫 번째 저자입니다.
Schindel은 이 논문의 아이디어는 반응을 촉진하기 위해 환경 조건을 사용하려는 욕구에서 나왔다고 말했습니다. "우리는 명시적인 에너지 비용이 없기 때문에 습식 진자 탄소 포집을 좋아합니다. 일정량의 공기를 가습하려면 일정량의 에너지가 필요하지만 이상적으로는 '무료' 습도를 얻고 환경에 인접한 습하고 건조한 공기의 자연 저장소에 에너지적으로 의존합니다."
연구팀은 반응을 가능하게 하기 위해 사용되는 이온의 수도 확대했다.
John Hegarty는 "우리는 이상적인 습도 탄소 포집을 달성할 수 있는 이온 수를 두 배로 늘렸을 뿐만 아니라 현재까지 가장 성능이 뛰어난 시스템을 발견했습니다."라고 말했습니다.
최근에는 습도 스윙 캡쳐 기술이 등장하기 시작했습니다. 전통적인 탄소 포집 방법은 흡착제를 사용하여 공급원 위치에서 이산화탄소를 포집한 다음 열이나 생성된 진공을 사용하여 흡착제에서 이산화탄소를 방출합니다. 이 접근 방식의 에너지 비용은 높습니다.
전통적인 탄소 포집 방법은 이산화탄소를 잡아두기 때문에 이를 방출하고 재사용하려면 많은 에너지가 필요합니다. 이 접근 방식은 모든 곳에서 작동하지 않습니다. 예를 들어, 농업, 콘크리트, 철강 제조업체는 주요 배출원이지만 발자국이 크기 때문에 단일 배출원에서 탄소를 포집하는 것이 불가능합니다. 부유한 국가는 배출량을 0 이하로 줄이기 위해 노력해야 하며, 탄소 기반 경제를 갖춘 개발도상국은 이산화탄소 생산량을 줄여야 합니다.
또 다른 수석 저자인 화학 교수 Omar Farha는 이산화탄소 포집 및 저장을 포함한 다양한 응용 분야에서 금속 산화물 프레임워크(MOF) 구조의 역할을 탐구한 광범위한 경험을 가지고 있습니다.
Farha는 "DAC는 학제간 접근 방식이 필요한 복잡하고 다면적인 문제입니다."라고 말했습니다. "이 작업에서 제가 감사하게 생각하는 점은 복잡한 매개변수를 상세하고 주의 깊게 측정한 것입니다. 제안된 모든 메커니즘은 이러한 복잡한 관찰을 설명해야 합니다."
과거 연구자들은 수분 변동 포착을 촉진하기 위해 탄산염 및 인산염 이온에 초점을 맞춰 왔으며 이러한 특정 이온이 왜 효과적인지에 대한 구체적인 가설을 개발했습니다. 그러나 Dravid의 팀은 어떤 이온이 가장 잘 작동하는지 확인하기 위해 더 넓은 범위의 이온을 테스트하기를 희망합니다. 전반적으로 그들은 가장 높은 원자가 상태를 가진 이온(주로 인산염)이 가장 효과적이라는 것을 발견하여 일부를 제외하고 다가 이온을 찾기 시작했으며 규산염과 붕산염을 포함하여 이 응용 분야에 효과적인 새로운 이온을 발견했습니다.
연구팀은 컴퓨터 모델링과 결합된 향후 실험이 일부 이온이 다른 이온보다 더 효과적인 이유를 더 잘 설명하는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.
이미 탄소 배출권을 사용하여 기업의 배출량 상쇄에 대한 인센티브를 제공하여 직접적인 공기 탄소 포집을 상용화하려는 기업이 있습니다. 많은 기업들이 농업 관행 변화와 같은 활동을 통해 이미 포집한 탄소를 포집하고 있는 반면, 이 접근 방식은 명시적으로 대기에서 직접 이산화탄소를 격리한 다음 이를 농축하고 궁극적으로 저장하거나 재사용할 수 있습니다.
Dravid의 팀은 이 이산화탄소 포집 물질을 이전에 개발한 다공성 스폰지 플랫폼과 결합하여 기름, 인산염, 미세 플라스틱을 포함한 환경 독소를 제거할 계획입니다.