Przygotowanie i charakteryzacja niskokosztowych chemicznie aktywowanych węgli przy użyciu H3PO4, ZnCl2 i KOH do zastosowań w adsorpcji CO2

Przekształcanie odpadów drzewnych w sojuszników klimatu

Rosnące stężenia dwutlenku węgla (CO2) są jednym z głównych czynników napędzających globalne ocieplenie, a duża część tego gazu pochodzi z elektrowni i zakładów spalających paliwa kopalne. Wychwytywanie CO2 zanim dotrze do atmosfery to jedna z obiecujących metod spowalniania zmian klimatu, ale obecne rozwiązania często wykorzystują kosztowne lub korozyjne cieczy. W pracy tej badacze badają prostszą koncepcję: przekształcenie niskowartościowego perskiego żelaznego drewna, powszechnego drzewa na północy Iranu, w wysoce porowate materiały przypominające węgiel drzewny, które mogą skutecznie i tanio zatrzymywać CO2.

Od leśnego produktu ubocznego do zaprojektowanego węgla aktywnego

Badacze zaczęli od drewna Parrotia persica, rosnącego obficie w lasach hyrcańskich, lecz o niskiej wartości handlowej. Po oczyszczeniu i zmieleniu drewna poddali je pirolizie w warunkach beztlenowych, aby uzyskać stałą, bogatą w węgiel substancję, a następnie traktowali trzema różnymi chemikaliami: silnym kwasem (kwasem fosforowym), solą cynku (chlorkiem cynku) oraz silną zasadą (wodorotlenkiem potasu). Każdy z tych reagentów w trakcie obróbki oddziałuje inaczej z naturalnymi polimerami drewna, tworząc sieć drobnych porów i regulując dostępną powierzchnię, na którą mogą przylegać gazy. Poprzez zmienianie stosunku środka aktywującego i temperatury wypalania uzyskano rodzinę węgli aktywnych o odmiennych strukturach porów.

Projektowanie malutkich kawern dla CO2

Dlaczego pory mają znaczenie? Adsorpcja gazu na ciałach stałych działa dlatego, że cząsteczki gazu przylegają do powierzchni za pomocą słabych sił elektrostatycznych. Im większa wewnętrzna powierzchnia i im bardziej odpowiednie rozmiary szczelin, tym więcej cząsteczek materiał może zgromadzić. Zespół mierzył rozmiar porów i powierzchnię właściwą za pomocą azotu i mikroskopii. Chlorek cynku dał najwyższą powierzchnię — około 1925 metrów kwadratowych na gram, co można porównać do rozłożenia kortu tenisowego na kostce cukru. Kwas fosforowy natomiast wygenerował węgle o szczególnie dużej objętości porów i mieszance ultramalych oraz nieco większych porów, a także liczne grupy powierzchniowe zawierające tlen. Te cechy chemiczne wzmacniają oddziaływania z CO2, który jest nieco polarny i przyciągany do miejsc o charakterze polarnym lub zasadowym na powierzchni węgla.

Jak dobrze te sorbenty wychwytują CO2?

Badano pobór CO2 przy ciśnieniach do 14 barów i w temperaturach bliskich pokojowej — warunki zbliżone do tych w przemysłowych strumieniach spalin. Wszystkie próbki wykazały najsilniejszy pobór CO2 w niższych temperaturach, co jest zgodne z fizycznym procesem „przylegania”: gdy cząsteczki gazu się ogrzewają, poruszają się szybciej i rzadziej pozostają przytwierdzone. Spośród materiałów węgiel aktywowany kwasem fosforowym o najwyższym stosunku użytego środka (oznaczony jako ACH3) osiągnął najlepszą pojemność CO2 przy 1 barze i 25 °C, nieznacznie przewyższając próbkę z chlorkiem cynku pomimo nieco mniejszej powierzchni. Przewagę tę przyniosły większa objętość porów i bogatsza chemia powierzchni. Analiza ciepła wydzielonego podczas adsorpcji potwierdziła, że CO2 jest utrzymywany głównie siłami fizycznymi, a nie przez tworzenie nowych wiązań chemicznych, co jest ważne, ponieważ pozwala na regenerację materiału przy umiarkowanym podgrzewaniu i wielokrotne użycie.

Oddzielanie CO2 od zwykłych składników powietrza

Wychwyt CO2 ze spalin to nie tylko kwestia pojemności, lecz także zdolności materiału do preferowania CO2 wobec innych gazów, takich jak azot (N2), który stanowi większość powietrza. Łącząc pomiary zachowania każdego gazu na węglach z dobrze ugruntowaną teorią predykcyjną, zespół oszacował selektywność adsorpcji CO2 z mieszaniny CO2/N2. Zarówno węgle aktywowane kwasem fosforowym, jak i chlorkiem cynku wykazały silną selektywność, faworyzując CO2 względem N2 w przybliżeniu w stosunku 20:1 przy ciśnieniu atmosferycznym. Próbka aktywowana wodorotlenkiem potasu była mniej selektywna, prawdopodobnie dlatego, że jej sieć porów była grubiej wytrawiona i częściowo zablokowana, oferując mniej idealnie dopasowanych miejsc dla CO2. Co ważne, wszystkie najlepiej działające węgle utrzymywały niemal stałą wydajność przez kilka cykli adsorpcji–desorpcji, co sugeruje, że mogą wytrzymać wielokrotne użycie w praktycznych systemach.

Co to oznacza dla przyszłego wychwytu CO2

Dla osoby niezajmującej się tematem główne przesłanie jest proste: niskowartościowy uboczny produkt leśny można poddać ulepszeniu do precyzyjnie dostrojonego, gąbczastego węgla, który skutecznie wychwytuje CO2, silnie go preferuje względem azotu i może być wielokrotnie regenerowany. Spośród badanych podejść szczególnie obiecujące okazały się obróbki kwasem fosforowym i solą cynku perskiego żelaznego drewna, które łączą dużą powierzchnię, odpowiednio dopasowane rozmiary porów i korzystną chemię powierzchni. Choć prognozy dotyczące wydajności w mieszaninach gazowych wymagają jeszcze potwierdzenia w testach przepływowych na pełną skalę, praca pokazuje, że starannie zaprojektowany „węgiel drzewny” z lokalnej biomasy może stać się praktycznym, niskokosztowym narzędziem do ograniczania przemysłowych emisji gazów cieplarnianych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: wychwytywanie dwutlenku węgla, węgiel aktywny, biomasa, adsorpcja CO2, materiały porowate