Улучшение уловки CO2 в процессе после сжигания с использованием активированного угля, модифицированного аминокислотами

Очистка воздуха после сгорания топлива

Диоксид углерода от электростанций является важным фактором глобального потепления, однако большая часть нашей электроэнергии по‑прежнему получается за счёт сжигания ископаемого топлива. Один из практичных способов сократить эти выбросы — улавливать CO2 из горячих отходящих газов до того, как они попадут в атмосферу. В этом исследовании изучают, как сделать широко доступный и относительно недорогой материал — активированный уголь — более эффективным в захвате CO2 путём мягкого нанесения на его поверхность простых блоков белков, называемых аминокислотами.

Превращение обыкновенного углерода в лучший губку

Активированный уголь уже применяется в фильтрах для воды и очистителях воздуха, потому что он полон микропор, действующих как губка для молекул. Для улавливания после сжигания на электростанциях идеальный материал должен удерживать много CO2 даже при низкой концентрации и повышенных температурах, оставаясь при этом стабильным и пригодным для многократного использования. Исследователи взяли коммерческие образцы активированного угля и сравнили их естественную способность адсорбировать CO2 — здесь «адсорбировать» означает прилипание молекул к поверхности, а не химическое превращение. Они подтвердили, что при комнатной температуре материал может удерживать несколько миллимолей CO2 на грамм, но эта ёмкость резко падает по мере повышения температуры газа, что типично для физического притяжения, а не прочной химической связи.

Добавление мягких «держателей» для диоксида углерода

Чтобы улучшить характеристики, команда модифицировала поверхность угля тремя аминокислотами: глицином, серином и лизином. Это небольшие органические молекулы, богатые азотом — типом атома, который известен более сильными взаимодействиями с CO2. Активированный уголь выдерживали в растворах с каждой аминокислотой, иногда вместе с простыми щелочными солями, затем промывали и сушили. При испытаниях обработанные образцы с глицином и серином в целом захватывали больше CO2 по сравнению с исходным материалом, тогда как лизин часто ухудшал показатели, особенно в сочетании с добавленными солями. Глицин проявил себя лучше всех: несмотря на то, что он самый маленький из трёх, он увеличивал поглощение CO2 примерно до 25 процентов без ущерба для способности материала захватывать азот — важный фоновый газ в дымовых потоках.

Нахождение оптимума условий обработки

Поскольку чрезмерная загрузка модификаторами может забить поры угля, исследователи тщательно варьировали температуру обработки, время и концентрацию глицина, анализируя результаты с помощью статистического планирования эксперимента. Они обнаружили, что оптимальной является промежуточная рецептура — умеренная температура, несколько часов обработки и средняя концентрация глицина — дающая наилучшее улавливание CO2. Микроскопия и измерения адсорбции газов показали, что модифицированный уголь сохранил почти ту же удельную поверхность и распределение размеров пор, что и исходный образец, что указывает на то, что глицин в основном покрывает внутренние стенки, а не перекрывает проходы. Инфракрасная и рентгеновская проверки подтвердили появление новых групп, содержащих азот и кислород, на поверхности при сохранении основной углеродной структуры в значительной степени неизменной.

Как ведёт себя улучшенный материал

Измеряя, как CO2 и азот адсорбируются на материале при нескольких температурах, команда оценивала теплоту, выделяющуюся при адсорбции каждого газа. Эти значения подпадали под диапазон, типичный для физических взаимодействий, а не для необратимых химических реакций, но были заметно выше для угля, обработанного глицином, по сравнению с необработанным образцом. Это означает, что CO2 удерживается сильнее, что объясняет большую ёмкость, однако газ по‑прежнему должен быть возможным для десорбции при умеренном нагреве или изменении давления. Модифицированный уголь также показал хорошую термическую стабильность при температурах значительно выше тех, что обычно встречаются в системах послесжигания, что позволяет предположить его способность выдерживать множество циклов захвата и высвобождения.

Что это может означать для выбросов электростанций

В повседневных терминах работа показывает, что лёгкая «декорация» активированного угля простой аминокислотой может превратить готовый фильтрующий материал в более селективный и более сильный «магнит» для CO2. Глицин предлагает лучший баланс: его маленький размер позволяет выстилать стенки пор дополнительными точками захвата без их закупорки, так что больше молекул CO2 можно ловить и многократно освобождать. Хотя материал по‑прежнему работает лучше при более низких температурах, продуманные стратегии теплообмена на реальных станциях могли бы помочь охладить отходящие газы достаточно для использования этой улучшенной губки. В целом эти результаты указывают на недорогие, настраиваемые сорбенты, которые можно было бы смонтировать на существующих объектах для сокращения парниковых выбросов без полного переоснащения энергетической системы.

Цитирование: 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

Ключевые слова: улавливание углерода, активированный уголь, аминокислоты, послесжигание, адсорбция CO2