Framställning och karaktärisering av lågbudgetkemiskt aktiverade kol med H3PO4, ZnCl2 och KOH för CO2-adsorptionsapplikationer

Att förvandla avfallsträ till klimatmedhjälpare

Ökande koldioxid (CO2)-nivåer är en huvuddrivkraft bakom den globala uppvärmningen, och mycket av denna gas kommer från kraftverk och fabriker som förbränner fossila bränslen. Att fånga CO2 innan den når atmosfären är ett lovande sätt att bromsa klimatförändringarna, men nuvarande metoder använder ofta dyra eller frätande vätskor. Den här studien undersöker en enklare idé: att omvandla lågvärdigt persiskt järnträ, ett vanligt träd i norra Iran, till högporösa material liknande träkol som kan fånga CO2 effektivt och till låg kostnad.

Från skogsrester till designat träkol

Forskarna började med Parrotia persica-trä, som växer rikligt i Hyrcanianska skogarna men har låg kommersiell värdering. Efter rengöring och malning värmde de upp träet i frånvaro av syre för att omvandla det till ett kolrikt fast material, och behandlade det sedan med tre olika kemikalier: en stark syra (fosforsyra), ett zinksalt (zinkklorid) och en stark bas (kaliumhydroxid). Varje kemikalie interagerar olika med träets naturliga polymerer under upphettning, karvar ut ett nätverk av små porer och ställer in hur mycket yta som finns tillgänglig för gas att fästa vid. Genom att variera mängden kemikalie och upphettningstemperaturen skapade de en serie aktiverade kol med distinkta porstrukturer.

Att designa små håligheter för CO2

Varför spelar porer roll? Gasfångst på fasta material fungerar eftersom gasmolekyler fastnar på ytor via svaga elektriska krafter. Ju mer intern yta och ju mer lämpligt stora håligheter ett material har, desto fler molekyler kan det hålla. Teamet mätte porstorlek och yta med kvävgas och mikroskopi. Zinkklorid gav den högsta ytan — cirka 1 925 kvadratmeter per gram, jämförbart med att sprida en tennisbana på en sockerkub. Fosforsyra skapade däremot kol med särskilt stor porvolym och en blandning av ultrasmå och något större porer, samt många syrehaltiga ytgrupper. Dessa kemiska egenskaper förstärker interaktionerna med CO2, som är lätt elektriskt ojämnt och attraheras av polära eller basiska platser på kelytan.

Hur bra fångar dessa sorbenter CO2?

Forskarna testade CO2-upptag vid tryck upp till 14 bar och nära rumstemperatur, förhållanden som liknar de i industriella avgaser. Alla prover visade starkast CO2-upptag vid lägre temperaturer, i linje med en fysisk ”fastsättnings”process: när gasmolekyler värms upp rör de sig snabbare och är mindre benägna att förbli bundna. Bland materialen uppnådde det fosforsyraaktiverade kolet med högst behandlingskvot (märkt ACH3) bästa CO2-kapaciteten vid 1 bar och 25 °C, något bättre än zinkkloridprovet trots något lägre yta. Denna fördel kom från dess större porvolym och rikare ytkemi. Analys av den värme som frigjordes under adsorption bekräftade att CO2 huvudsakligen hölls av fysikaliska krafter snarare än genom bildning av nya kemiska bindningar, vilket är viktigt eftersom det innebär att materialet kan regenereras med måttlig uppvärmning och återanvändas många gånger.

Att separera CO2 från vanliga luftkomponenter

Att fånga CO2 från rökgas handlar inte bara om hur mycket det kan hålla, utan också om hur väl det föredrar CO2 framför andra gaser som kväve (N2), som utgör största delen av luften. Genom att kombinera mätningar av hur varje gas beter sig på kolen med en väletablerad prediktiv teori uppskattade teamet hur selektivt materialen skulle adsorbera CO2 från en CO2/N2-blandning. Både fosforsyra- och zinkkloridkol visade stark selektivitet och föredrog CO2 framför N2 med ungefär en faktor 20 vid atmosfärstryck. Kaliumhydroxidbaserat prov var mindre selektivt, sannolikt eftersom dess pornätverk var grövre etsad och delvis blockerad, vilket gav färre idealiskt stora platser för CO2 att lägga sig i. Viktigt är att alla de bäst presterande kolen bibehöll nästan konstant prestanda över flera adsorptions–desorptionscykler, vilket tyder på att de kan tåla upprepad användning i verkliga system.

Vad detta betyder för framtida CO2-fångst

För icke-specialisten är huvudbudskapet enkelt: en lågvärdig skogsrest kan uppgraderas till ett fint avstämt, svampliknande kol som fångar CO2 effektivt, föredrar det starkt framför kväve och kan återanvändas flera gånger. Bland de testade metoderna gav fosforsyra- och zinksaltbehandlingar av persiskt järnträ särskilt lovande material, som balanserar hög yta, väl anpassade porstorlekar och gynnsam ytkemi. Även om studiens prognoser för gasblandningsprestanda fortfarande behöver verifieras i fullskaliga flödestester, visar arbetet att noggrant utformat ”träkol” från lokal biomassa skulle kunna bli ett praktiskt, lågkostnadsverktyg för att minska industriella växthusgasutsläpp.

Citering: 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

Nyckelord: koldioxidinfångning, aktiverat kol, biomassa, CO2-adsorption, porösa material