온실가스 배출을 억제하려는 전 세계적인 노력 속에서 MIT 과학자들은 가장 까다로운 산업 배출을 탈탄소화하기 위한 탄소 포집 기술에 중점을 두고 있습니다. 단일 전기화학적 공정을 기반으로 한 이러한 발견은 철강 및 시멘트와 같이 탈탄소화가 가장 어려운 산업에서 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구원들은 단일 전기화학적 공정을 통해 이산화탄소를 포집하고 전환하는 방법을 밝혀냈습니다. 이 과정에서 흡착제에서 배출되는 이산화탄소를 전극(사진에서 기포로 덮여 있는 것과 같은)을 사용하여 흡수하여 탄소중립 제품으로 변환합니다. 사진 출처: JohnFreidah/MITMechE

철강, 시멘트, 화학제품 제조와 같은 산업은 생산 과정에서 본질적으로 탄소와 화석 연료를 사용하기 때문에 탈탄소화가 특히 어렵습니다. 탄소 배출을 포집하여 생산 과정에서 재사용하는 기술이 개발될 수 있다면 이러한 "감소하기 어려운" 산업에서 배출을 크게 줄이는 것이 가능할 것입니다.

그러나 이산화탄소를 포집하고 전환하는 현재의 실험 기술은 실행하는 데 많은 양의 에너지가 필요한 두 가지 별도의 공정입니다. MIT 연구팀은 두 가지 프로세스를 잠재적으로 재생 가능 에너지를 사용하여 집중된 산업 자원에서 이산화탄소를 포집하고 변환할 수 있는 훨씬 더 에너지 효율적인 통합 시스템으로 결합하기를 희망합니다.

탄소 포집 및 전환에 관한 최신 연구 결과

ACSCatalogy 저널에 9월 5일 발표된 연구에서 연구자들은 단일 전기화학적 과정을 통해 이산화탄소를 포집하고 전환하는 방법의 숨겨진 힘을 밝혔습니다. 이 공정에는 전극을 사용하여 흡착제에서 방출된 이산화탄소를 흡수하고 이를 감소된 재사용 가능한 형태로 변환하는 작업이 포함됩니다.

다른 사람들도 비슷한 실증을 보고했지만 전기화학 반응을 일으키는 메커니즘은 여전히 ​​불분명합니다. MIT 팀은 이 동인을 결정하기 위해 수많은 실험을 수행했으며 궁극적으로 이것이 이산화탄소의 부분압에 달려 있다는 사실을 발견했습니다. 즉, 전극과 접촉하는 이산화탄소가 더 순수할수록 전극은 더 효율적으로 이산화탄소 분자를 포획하고 변환할 수 있습니다.

이러한 주요 동인 또는 "활성 종"을 이해하면 과학자들이 유사한 전기화학 시스템을 조정하고 최적화하여 통합 공정에서 이산화탄소를 효율적으로 포집하고 변환하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 연구의 결과는 이러한 전기화학 시스템이 매우 희박한 환경(예: 공기에서 직접 탄소 배출을 포집하고 변환하는 것)에는 적합하지 않을 수 있지만, 산업 공정에서 생성되는 고농도 배출, 특히 명백한 재생 가능한 대안이 없는 환경에는 적합하다는 것을 시사합니다.

연구 저자이자 MIT 경력 개발 부교수인 Betar Gallant는 1922년에 "우리는 발전을 위해 재생 에너지로 전환할 수 있고 전환해야 합니다. 그러나 시멘트나 철강 생산과 같은 산업의 심층적인 탈탄소화는 어렵고 더 오랜 시간이 걸릴 것입니다. 설사 모든 발전소를 폐쇄하더라도 해당 산업을 완전히 탈탄소화하기 전에 단기적으로 다른 산업의 배출량을 해결할 수 있는 몇 가지 솔루션이 필요할 것입니다. 이것이 바로 우리가 최적점을 볼 수 있는 곳이며 이 시스템과 같은 것이 최적점에 적합할 수 있습니다."라고 말했습니다.

이 연구의 MIT 공동 저자에는 수석 저자인 Graham Leverick 박사후 연구원과 대학원생 Elizabeth Bernhardt, 말레이시아 Sunway University의 Athea Iliani-Esse가 포함됩니다. Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman 및 Mohamed Kheireddine Aroua.

탄소 포집 과정에 대해 알아보세요

탄소 포집 기술은 발전소 및 제조 시설의 굴뚝에서 나오는 배출물 또는 "연도"를 포집하도록 설계되었습니다. 배출은 주로 대규모 개조를 통해 "포집" 용액(나머지 연도 가스와 분리될 수 있는 안정적인 형태를 생성하기 위해 이산화탄소와 화학적으로 결합하는 아민 또는 아미노 화합물의 혼합물)이 들어 있는 챔버로 전달됩니다.

포집된 이산화탄소는 종종 화석 연료에서 생성된 증기를 사용하여 고온으로 처리되어 아민 결합에서 포집된 이산화탄소를 방출합니다. 순수한 이산화탄소 가스는 저장 탱크나 지하로 펌핑되어 광물화되거나 추가로 화학 물질이나 연료로 전환될 수 있습니다.

"탄소 포집은 성숙한 기술이고 화학은 약 100년이나 되었지만 실제로는 대규모 설치가 필요하고 실행하는 데 상당히 비용이 많이 들고 에너지 집약적입니다."라고 Gallant는 지적합니다. "우리에게 필요한 것은 보다 다양한 이산화탄소 소스에 적응할 수 있는 보다 모듈화되고 유연한 기술입니다. 전기화학 시스템은 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다."

그녀의 MIT 연구 그룹은 포집된 이산화탄소를 재활용하고 이를 사용 가능한 감소된 제품으로 변환할 수 있는 전기화학 시스템을 개발하고 있습니다. 이러한 통합 시스템은 별도의 시스템이 아닌 화석 연료에서 생성된 증기가 아닌 재생 에너지로 전적으로 전력을 공급받을 수 있다고 그녀는 말했습니다.

그들의 개념은 기존 탄소 포집 용액의 공동에 들어갈 수 있는 전극에 중점을 두고 있습니다. 전극에 전압을 가하면 전자는 활성형 이산화탄소 방향으로 흐르다가 물에서 공급되는 양성자를 이용해 생성물로 변환됩니다. 이렇게 하면 흡착제는 증기를 사용하여 이산화탄소를 흡수하는 대신 더 많은 이산화탄소를 흡수할 수 있습니다.

Gallant는 이전에 이 전기화학 공정이 이산화탄소를 포집하여 고체 탄산염 형태로 변환할 수 있음을 보여주었습니다. “우리는 초기 개념에서 이 전기화학적 과정이 가능하다는 것을 보여주었습니다.”라고 그녀는 말했습니다. "그 이후로 유용한 화학물질과 연료를 생산하기 위해 이 공정을 사용하는 데 초점을 맞춘 다른 연구가 있었습니다. 그러나 이러한 반응이 어떻게 작동하는지에 대한 설명은 일관되지 않았습니다."

"이산화탄소 단독"의 역할

새로운 연구에서 MIT 연구팀은 돋보기를 사용하여 전기화학적 과정을 주도하는 특정 반응을 관찰했습니다. 실험실에서 그들은 연도 가스에서 이산화탄소를 추출하는 데 사용되는 산업용 포집 솔루션과 유사한 아민 솔루션을 생성했습니다. 그들은 pH, 농도 및 아민 유형과 같은 각 용액의 다양한 특성을 체계적으로 변화시킨 다음 전기 분해 연구에 널리 사용되며 이산화탄소를 일산화탄소로 효율적으로 변환하는 것으로 알려진 금속인 은 전극을 통해 각 용액을 통과시켰습니다. 그런 다음 그들은 반응이 끝날 때 변환된 일산화탄소의 농도를 측정하고 그 수치를 테스트한 다른 각 용액의 농도와 비교하여 생성된 일산화탄소의 양에 가장 큰 영향을 미치는 매개 변수를 결정했습니다.

결국, 그들은 가장 중요한 것은 많은 사람들이 의심하는 것처럼 애초에 이산화탄소를 포집하는 데 사용되는 아민의 유형이 아니라는 사실을 발견했습니다. 오히려 가장 중요한 것은 아민과의 결합을 피하는 용액 내 자유 부유 이산화탄소 분자의 농도입니다. 이 "이산화탄소 단독"은 생성된 일산화탄소의 최종 농도를 결정합니다.

"우리는 이 '단독' CO2가 아민에 의해 포집된 CO2보다 더 쉽게 반응한다는 것을 발견했습니다."라고 Leverick은 말했습니다. "이것은 미래 연구자들에게 이 프로세스가 산업 흐름에서 실행 가능하며 고농도의 CO2를 효율적으로 포집하여 유용한 화학 물질과 연료로 전환할 수 있음을 알려줍니다."

"이것은 중요한 제거 기술이 아닙니다"라고 Gallant는 강조합니다. "이것이 가져오는 가치는 기존 산업 공정을 유지하면서 CO2를 여러 번 재활용할 수 있게 하여 관련 배출량을 줄일 수 있다는 것입니다. 궁극적으로 제 꿈은 전기화학 시스템을 사용하여 CO2의 광물화 및 영구 저장을 촉진하는 것입니다. 이는 진정한 제거 기술입니다. 이것은 장기적인 비전입니다. 그리고 우리가 이해하기 시작한 많은 과학은 이러한 공정을 설계하는 첫 번째 단계입니다."