Zwiększenie wychwytywania CO2 w procesie po‑spaleniowym przy użyciu węgla aktywnego modyfikowanego aminokwasami

Oczyszczanie powietrza po spalaniu paliwa

Dwutlenek węgla z elektrowni jest jednym z głównych czynników powodujących globalne ocieplenie, a mimo to większość naszej energii elektrycznej wciąż pochodzi ze spalania paliw kopalnych. Jednym z praktycznych sposobów ograniczenia tych emisji jest wychwytywanie CO2 z gorących spalin zanim trafią do atmosfery. W niniejszym badaniu zbadano, jak poprawić zdolność popularnego i stosunkowo taniego materiału — węgla aktywnego — do wiązania CO2 poprzez delikatne pokrycie jego powierzchni prostymi składnikami białek zwanymi aminokwasami.

Przekształcanie codziennego węgla w lepszą gąbkę

Węgiel aktywny jest już wykorzystywany w filtrach wody i oczyszczaczach powietrza, ponieważ jest pełen maleńkich porów działających jak gąbka dla cząsteczek. Do wychwytywania po‑spaleniowego w elektrowniach idealny materiał musi utrzymywać dużo CO2 nawet gdy gaz występuje w niskim stężeniu i podwyższonej temperaturze, przy jednoczesnej stabilności i łatwości regeneracji. Naukowcy zaczęli od komercyjnych węgli aktywnych i porównali ich naturalną zdolność do adsorpcji CO2 — „adsorpcja” oznacza tutaj przyleganie cząsteczek do powierzchni, a nie reakcję chemiczną. Potwierdzili, że w temperaturze pokojowej materiał może pochłaniać kilka milimoli CO2 na gram, ale ta pojemność gwałtownie spada wraz ze wzrostem temperatury, co jest typowym sygnałem fizycznego przylegania zamiast silnego wiązania chemicznego.

Dodanie łagodnych uchwytów dla dwutlenku węgla

Aby poprawić wydajność, zespół zmodyfikował powierzchnię węgla za pomocą trzech aminokwasów: glicyny, seryny i lizyny. Są to małe cząsteczki organiczne bogate w azot — atom, który zwykle silniej oddziałuje z CO2. Węgiel aktywny był namaczany w roztworach zawierających każdy z aminokwasów, czasem wraz z prostymi solami zasadowymi, a następnie płukany i suszony. W testach próbki traktowane glicyną i seryną zazwyczaj wychwytywały więcej CO2 niż materiał wyjściowy, natomiast lizyna często pogarszała właściwości, zwłaszcza w połączeniu z dodatkowymi solami. Glicyna wyróżniła się: pomimo że jest najmniejsza z trzech, zwiększyła wychwyt CO2 nawet o około 25 procent, nie pogarszając jednocześnie zdolności materiału do absorpcji azotu, istotnego gazu w strumieniach spalin.

Znalezienie optymalnych warunków obróbki

Ponieważ nadmierne obciążenie węgla modyfikatorami może zatykać jego pory, badacze ostrożnie zmieniali temperaturę obróbki, czas i stężenie glicyny, analizując wyniki za pomocą statystycznego planu eksperymentu. Stwierdzili, że optymalny przepis — umiarkowana temperatura, kilka godzin obróbki i średnie stężenie glicyny — dawał najlepsze wychwyty CO2. Mikroskopia i pomiary adsorpcji gazów wykazały, że zmodyfikowany węgiel zachował niemal taką samą powierzchnię właściwą i rozkład rozmiarów porów jak materiał wyjściowy, co sugeruje, że glicyna głównie dekoruje wewnętrzne ściany porów, zamiast je blokować. Testy w podczerwieni i rentgenowskie potwierdziły pojawienie się nowych grup zawierających azot i tlen na powierzchni, podczas gdy zasadnicza struktura węglowa pozostała w dużej mierze niezmieniona.

Jak zachowuje się ulepszony materiał

Poprzez pomiary przylegania CO2 i azotu w kilku temperaturach zespół oszacował ciepło wydzielane podczas adsorpcji każdego gazu. Wartości te mieściły się w zakresie typowym dla oddziaływań fizycznych, a nie trwałych reakcji chemicznych, lecz były wyraźnie silniejsze dla węgla traktowanego glicyną niż dla surowej próbki. Oznacza to, że CO2 jest utrzymywany mocniej, co tłumaczy wyższą pojemność, a jednocześnie powinno być możliwe uwolnienie gazu przez umiarkowane ogrzewanie lub zmianę ciśnienia. Zmodyfikowany węgiel wykazał też dobrą stabilność termiczną w temperaturach znacznie wyższych niż te typowe dla systemów po‑spaleniowego wychwytywania, co sugeruje, że może przetrwać wiele cykli wychwyt‑uwolnienie.

Co to może znaczyć dla emisji elektrowni

Mówiąc prościej, praca pokazuje, że lekkie wykończenie węgla aktywnego prostym aminokwasem może przekształcić materiał z półki w bardziej selektywny i silniejszy „magnes” na CO2. Glicyna oferuje najlepszy kompromis: jej mały rozmiar pozwala na wyłożenie ścian porów dodatkowymi punktami chwytu bez ich zapychania, dzięki czemu więcej cząsteczek CO2 można łapać i wielokrotnie uwalniać. Chociaż materiał nadal działa najlepiej w niższych temperaturach, inteligentne strategie wymiany ciepła w rzeczywistych elektrowniach mogłyby pomóc schłodzić spaliny wystarczająco, by wykorzystać tę ulepszoną gąbkę. W sumie wyniki te wskazują na tanie, regulowane sorbenty, które można by zamontować w istniejących zakładach, by ograniczyć emisje gazów cieplarnianych bez konieczności gruntownej przebudowy całego systemu energetycznego.

Cytowanie: Houshmand, D., Rashidi, F., Amjad-Iranagh, S. et al. Enhancement of CO₂ capture in post combustion process using actived carbon modified by amino acids. Sci Rep 16, 10569 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44400-z

Słowa kluczowe: wychwytywanie dwutlenku węgla, węgiel aktywny, aminokwasy, po spaleniu, adsorpcja CO2