Каталитическая гибридная регенерация растворителя в мембранных процессах с вакуумом для прямого улавливания углерода

Захват углерода из обычного воздуха

Прямое извлечение диоксида углерода из воздуха — один из инструментов, который ученые надеются использовать для замедления климатических изменений, но сегодня это требует большого количества энергии. В этом исследовании рассматривается, как сделать один конкретный тип системы прямого улавливания значительно менее энергоемким, переосмыслив как жидкость, улавливающую CO2, так и способ очистки и повторного использования этой жидкости. В результате получилась система, способная регенерировать насыщенный CO2 растворитель при более низких температурах и с гораздо меньшими затратами тепла, что приближает прямое улавливание к масштабному, значимому для климата внедрению.

Почему так сложно очищать захватывающую жидкость

Большинство существующих установок, удаляющих CO2 из газов, опираются на жидкости, которые химически связывают газ. Проблема в том, что когда эти жидкости насыщаются, их нужно нагреть до высоких температур, чтобы CO2 отделился, после чего жидкость можно использовать повторно. Для воздуха, где CO2 чрезвычайно разрежен, эта энергетическая плата становится особенно болезненной. Традиционным растворителям также требуются температуры порядка 120–140 °C для восстановления, что нагружает оборудование и может сокращать срок службы жидкости. Команда, стоящая за этой работой, поставила цель перепроектировать этот этап «очистки», чтобы он мог работать при гораздо более низких температурах и при этом высвобождать большие количества CO2.

Более мягкий способ регенерации жидкости

Исследователи сосредоточились на технологии, называемой мембранной вакуумной регенерацией. Здесь тёплый растворитель протекает мимо пучка крошечных полых волокон. CO2 и часть паров воды просачиваются сквозь стенки волокон на сторону пониженного давления, оставляя очищенный растворитель. Тщательно выбрав и протестировав три разных модуля мембраны, они выявили конфигурацию, которая обеспечивала эффективное удаление CO2 при ограничении потерь воды: полое волокно с очень тонким защитным покрытием. Эта конструкция уравновешивает лёгкость транспорта CO2 и устойчивость мембраны к заливанию жидкостью — проблеме, которая в противном случае со временем снижает производительность.

Увеличение эффективности с помощью умных растворителей и катализаторов

Вторая инновация заключается как в рецептуре жидкости, так и в твердых вспомогательных частицах, через которые она проходит. Вместо одного компонента команда смешала два солевых соединения на основе аминокислот — тауринат и саркосинат, — которые привлекательны низкой летучестью, устойчивостью к деградации и относительной безопасностью. Настраивая их смесь, они обнаружили, что смесь в соотношении три части калия-таурината к одной части калия-саркосината могла поглощать больше CO2 из воздуха и при этом легче отдавать его при регенерации. В дополнение к этому они добавили тонко спроектированный твердый катализатор на основе сульфатированного циркония, легированного железом, диспергированного на пористой кремнезёмной поддержке. При прохождении тёплого растворителя через неподвижный слой этих частиц перед выходом к мембране химические центры на твердом материале ускоряют отрыв CO2 от жидкости, увеличивая поток CO2 и позволяя удалить больше газа за то же время.

Поиск оптимума для энергосбережения

В ходе десятков экспериментов авторы варьировали конструкцию катализатора и его загрузку. Кремнезём оказался лучшей поддержкой, чем оксид алюминия, а соотношение активного материала к частицам кремнезёма 1:1 показало наилучшую работу: слишком мало — недостаточно активных центров, слишком много — поры закупориваются. Они также установили, что загрузка примерно девяти процентов катализатора по массе в неподвижном слое даёт почти максимальную выгоду, после чего дальнейшие добавления почти не помогают. С оптимизированным гибридным растворителем и катализатором вместе в низкотемпературной мембранной системе при всего 90 °C количество тепла, необходимого для регенерации жидкости, резко снизилось по сравнению с распространённым эталонным растворителем — калия глицинатом.

Более экономичный путь к извлечению CO2 из воздуха

Когда все элементы были объединены — настроенный модуль с полыми волокнами, гибридный растворитель на основе аминокислот и тщательно разработанный твердый катализатор — система сократила тепловое потребление на этапе регенерации примерно на две трети. В практическом выражении потребность в тепле снизилась до порядка 2,6 ГДж на тонну CO2 для доли, связанной с чувствительным нагревом, и до ориентировочно 6,5 ГДж на тонну при учете всех вкладов, что сопоставимо с известными конструкциями прямого улавливания воздуха. Для неспециалистов главный вывод таков: совместная оптимизация жидкости, твердого помощника и планировки мембраны демонстрирует правдоподобный путь к снижению энергоёмкости прямого улавливания и к его совместимости с низкотемпературными возобновляемыми источниками тепла, что улучшает его перспективы как долгосрочного климатического инструмента.

Цитирование: 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

Ключевые слова: прямое улавливание воздуха, удаление углерода, мембранная сепарация, каталитическая регенерация, гибридные растворители