Voorbereiding en karakterisering van goedkope chemisch geactiveerde koolstoffen met H3PO4, ZnCl2 en KOH voor CO2-adsorptietoepassingen

Afvalhout omvormen tot klimaathelpers

De stijgende concentraties kooldioxide (CO2) zijn een belangrijke oorzaak van de opwarming van de aarde, en een groot deel van dit gas komt van energiecentrales en fabrieken die fossiele brandstoffen verbranden. Het afvangen van CO2 voordat het de atmosfeer bereikt is een veelbelovende manier om klimaatverandering te vertragen, maar de huidige methoden gebruiken vaak kostbare of corrosieve vloeistoffen. Deze studie onderzoekt een eenvoudiger idee: het omzetten van laagwaardige Perzische ijzerhout, een veelvoorkomende boom in het noorden van Iran, in sterk poreuze houtskoolachtige materialen die CO2 efficiënt en goedkoop kunnen vasthouden.

Van bijproduct uit het bos naar engineered houtskool

De onderzoekers begonnen met Parrotia persica-hout, dat overvloedig voorkomt in de Hyrcanische bossen maar weinig commerciële waarde heeft. Na reiniging en vermaling verhitten ze het hout in afwezigheid van zuurstof om het in een koolstofrijk vast materiaal om te zetten, en behandelden het vervolgens met drie verschillende chemicaliën: een sterk zuur (fosforzuur), een zinkzout (zinkchloride) en een sterke base (kaliumhydroxide). Elke chemische stof reageert tijdens verhitting anders met de natuurlijke polymeren in het hout, waardoor een netwerk van kleine poriën ontstaat en de beschikbare oppervlakte voor gasbinding wordt afgestemd. Door te variëren in de hoeveelheid gebruikte chemische stof en de verbrandingstemperatuur creëerden ze een reeks geactiveerde koolstoffen met uiteenlopende poriestructuren.

Het ontwerpen van kleine holtes voor CO2

Waarom zijn poriën belangrijk? Gasvangst op vaste materialen werkt omdat gasmoleculen aan oppervlakken blijven kleven door zwakke elektrische krachten. Hoe groter de interne oppervlakte en hoe beter afgestemd de poriegrootte, hoe meer moleculen een materiaal kan vasthouden. Het team bepaalde poriegrootte en oppervlakte met stikstofgasmetingen en microscopie. Zinkchloride leverde de grootste oppervlakte — ongeveer 1.925 vierkante meter per gram, vergelijkbaar met het uitspreiden van een tennisbaan op een suikerklontje. Fosforzuur creëerde daarentegen koolstoffen met bijzonder grote porevolumes en een mix van ultrakleine en iets grotere poriën, plus veel zuurstofhoudende oppervlaktegruppes. Deze chemische kenmerken versterken de interacties met CO2, dat enigszins elektrisch ongelijkmatig is en aangetrokken wordt tot polaire of basische plekken op het koolstofoppervlak.

Hoe goed vangen deze sorptiematerialen CO2?

De onderzoekers testten de CO2-opname bij drukken tot 14 bar en rond kamertemperatuur, omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in industriële rookgassen. Alle monsters toonden de sterkste CO2-opname bij lagere temperaturen, wat overeenstemt met een fysisch “kleven”-proces: als gasmoleculen opwarmen, bewegen ze sneller en blijven ze minder geneigd om vast te houden. Onder de materialen behaalde de met fosforzuur geactiveerde koolstof met de hoogste behandelingsratio (aangeduid als ACH3) de beste CO2-capaciteit bij 1 bar en 25 °C, iets beter dan het zinkchloride-monster ondanks diens iets hogere oppervlakte. Dit voordeel kwam door het grotere porevolume en de rijkere oppervlakchemie. Analyse van de tijdens adsorptie vrijgekomen warmte bevestigde dat CO2 voornamelijk door fysische krachten werd vastgehouden en niet door het vormen van nieuwe chemische bindingen, wat belangrijk is omdat het betekent dat het materiaal met bescheiden verwarming kan worden geregenereerd en vele malen hergebruikt kan worden.

CO2 scheiden van gewone luchtcomponenten

CO2 afvangen uit rookgas draait niet alleen om hoeveel het kan vasthouden, maar ook om hoe goed het CO2 prefereert boven andere gassen zoals stikstof (N2), dat het grootste deel van de lucht vormt. Door metingen van het gedrag van elk gas op de koolstoffen te combineren met een goed aangetoonde voorspellende theorie, schatte het team hoe selectief de materialen CO2 uit een CO2/N2-mengsel zouden adsorberen. Zowel de met fosforzuur als de met zinkchloride behandelde koolstoffen toonden sterke selectiviteit en gaven de voorkeur aan CO2 boven N2 met een factor van ongeveer 20 bij atmosferische druk. Het monster op basis van kaliumhydroxide was minder selectief, waarschijnlijk omdat het poriënnetwerk grover geëtst en gedeeltelijk geblokkeerd was, waardoor er minder ideaal gevormde plekken overbleven voor CO2 om zich in te nestelen. Belangrijk is dat alle best presterende koolstoffen vrijwel constante prestaties behielden over meerdere adsorptie–desorptiecycli, wat suggereert dat ze herhaald gebruik in echte systemen zouden kunnen doorstaan.

Wat dit betekent voor toekomstige CO2-afvang

Voor niet-specialisten is de kernboodschap eenvoudig: een laagwaardig bosbijproduct kan worden opgewaardeerd tot een fijn afgestemde, sponsachtige koolstof die CO2 efficiënt opvangt, sterk de voorkeur geeft aan CO2 boven stikstof en meerdere keren hergebruikt kan worden. Van de geteste benaderingen leverden fosforzuur- en zinkzoutbehandelingen van Perzisch ijzerhout vooral veelbelovende materialen op, met een evenwicht tussen hoge oppervlakte, goed afgestemde poriegroottes en gunstige oppervlakchemie. Hoewel de voorspellingen van de studie over de prestaties bij gasmengsels nog moeten worden geverifieerd in grootschalige doorstroomtests, laat het werk zien dat zorgvuldig ontworpen “houtskool” uit lokale biomassa een praktisch, goedkope optie kan worden voor het verminderen van industriële broeikasgasemissies.

Bronvermelding: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

Trefwoorden: koolstofafvang, geactiveerde koolstof, biomassa, CO2-adsorptie, porieuze materialen