Rigenerazione catalitica di solvente ibrido in processi di membrana a vuoto per la cattura diretta dell’aria

Catturare il carbonio dall’aria di tutti i giorni

Estrarre anidride carbonica direttamente dall’aria è uno degli strumenti che gli scienziati sperano di usare per rallentare i cambiamenti climatici, ma oggi richiede molta energia. Questo studio esplora come rendere un particolare tipo di sistema di cattura diretta dell’aria molto meno energivoro ripensando sia il liquido che assorbe la CO2 sia il modo in cui quel liquido viene rigenerato e riutilizzato. Il risultato è un sistema in grado di rigenerare il solvente saturo di CO2 a temperature più basse e con molto meno calore, avvicinando la cattura diretta dell’aria a una messa in opera su larga scala rilevante per il clima.

Perché è così difficile rigenerare il liquido di cattura

La maggior parte degli impianti esistenti che rimuovono CO2 dai gas si basa su liquidi che legano chimicamente il gas. La sfida è che una volta che questi liquidi sono saturi devono essere riscaldati a temperature elevate in modo che la CO2 si liberi, dopo di che il liquido può essere riutilizzato. Per l’aria, dove la CO2 è estremamente diluita, questo conto energetico diventa particolarmente oneroso. I solventi tradizionali richiedono inoltre temperature dell’ordine di 120–140 °C per essere rigenerati, il che sollecita le apparecchiature e può ridurre la durata del fluido. Il team dietro questo lavoro si è proposto di riprogettare questa fase di “pulizia” in modo che potesse funzionare a temperature molto più basse pur rilasciando grandi quantità di CO2.

Un modo più delicato per rigenerare il liquido

I ricercatori si sono concentrati su una tecnologia chiamata rigenerazione a membrana sotto vuoto. Qui, il solvente riscaldato scorre accanto a un fascio di sottilissimi filamenti cavi. CO2 e una parte di vapore acqueo passano attraverso le pareti dei filamenti verso il lato a bassa pressione, lasciando dietro il solvente pulito. Selezionando e testando con cura tre diversi moduli a membrana, hanno identificato una configurazione che permetteva una forte rimozione della CO2 limitando la perdita d’acqua: un modulo a filamenti cavi con un rivestimento protettivo molto sottile. Questo design bilancia la facilità con cui la CO2 si muove e la resistenza della membrana all’allagamento da liquido, un problema che altrimenti può ridurre le prestazioni nel tempo.

Migliorare le prestazioni con solventi intelligenti e catalizzatori

La seconda innovazione riguarda sia la “ricetta” del liquido sia le particelle solide ausiliarie attraverso cui esso passa. Invece di affidarsi a un singolo ingrediente, il team ha miscelato due sali a base di amminoacidi, taurato e sarcosinato, interessanti perché hanno bassa volatilità, sono resistenti alla degradazione e relativamente benigni. Ottimizzando la miscela, hanno scoperto che una combinazione contenente tre parti di taurato di potassio e una parte di sarcosinato di potassio poteva assorbire più CO2 dall’aria e poi rilasciarla più facilmente durante la rigenerazione. Inoltre hanno aggiunto un catalizzatore solido finemente progettato costituito da zirconia solfatata drogata con ferro dispersa su silice porosa. Quando il solvente caldo attraversa uno strato fisso di queste particelle prima di raggiungere la membrana, i siti chimici sul solido accelerano il distacco della CO2 dal liquido, aumentando il flusso di CO2 e permettendo di estrarre più gas nello stesso intervallo di tempo.

Trovare il punto ottimale per il risparmio energetico

Attraverso dozzine di esperimenti, gli autori hanno regolato la costruzione del catalizzatore e la sua quantità. La silice si è dimostrata un supporto migliore dell’allumina, e un rapporto uno a uno tra materiale attivo e particelle di silice ha fornito le migliori prestazioni: troppo poco e non c’erano abbastanza siti attivi, troppo e i pori si occludevano. Hanno anche trovato che caricare circa il nove percento in peso di catalizzatore nel letto fisso dava quasi il massimo beneficio prima che ulteriori aggiunte smettessero di migliorare significativamente le prestazioni. Con il solvente ibrido e il catalizzatore ottimizzati insieme nel sistema a membrana a bassa temperatura funzionante a soli 90 °C, la quantità di calore richiesta per rigenerare il liquido è diminuita drasticamente rispetto a un solvente di riferimento comune, il glicinato di potassio.

Un percorso più snello per estrarre CO2 dall’aria

Quando tutti i pezzi sono stati combinati — il modulo a filamento cavo tarato, il solvente ibrido a base di amminoacidi e il catalizzatore solido accuratamente progettato — il sistema ha ridotto l’energia termica necessaria per la fase di rigenerazione di circa due terzi. In termini pratici, la domanda di calore è scesa a circa 2,6 gigajoule per tonnellata di CO2 per la porzione di calore sensibile, e a un totale stimato di 6,5 gigajoule per tonnellata quando si includono altri contributi, comparabile a progetti di cattura diretta dell’aria ben noti. Per i non esperti, il messaggio chiave è che co‑ottimizzando il liquido, l’ausiliario solido e la disposizione della membrana, gli autori mostrano una via credibile per rendere la cattura diretta dell’aria meno intensiva in termini energetici e più compatibile con sorgenti di calore rinnovabile a bassa temperatura, migliorandone le prospettive come strumento climatico a lungo termine.

Citazione: Momeni, A., Anisi, H., McQuillan, R.V. et al. Catalytic hybrid solvent regeneration in membrane vacuum processes for direct air capture. Nat Commun 17, 2247 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69542-6

Parole chiave: cattura diretta dell’aria, rimozione del carbonio, separazione a membrana, rigenerazione catalitica, solventi ibridi