Fanger CO2 fra røykgass med supermembran

Etter et snart seks år langt forskningsløp har forskere lykkes med å lage en membran som kan fange CO2 på en helt ny måte. Det har ført til prestisjeomtale i forskningsmagasinet Science.

Fanger CO2 fra røykgass med supermembran
Lars Erik Parnas (t.v.) og Marius Sandru i lab'en. Membranen som har blitt til her, kan brukes til å fjerne CO2 fra røykgasser, biogass eller til å fange klimagassen fra fermenteringsprosesser, for å nevne noe. Og den er laget av materialer som finnes i de fleste hjem. Foto: Thor Nielsen

Membraner som kan fjerne CO2 er ikke en nyhet i seg selv. Men denne membranen separerer CO2 raskere og mye mer selektivt enn de membranene som finnes på markedet i dag, takket være en helt ny måte å bygge opp membranen på. I praksis betyr det at membranen kan trekke ut CO2 i konsentrert form fra lufta eller ulike gasser.

Teknikken som er brukt består av å kombinere nanoteknologi og UV-lys, blant annet. Det har gitt forskerteamet spalteplass i det anerkjente tidsskriftet Science og internasjonal oppmerksomhet.

Men hva er det som gjør at den er så spesiell?

Jo, det er nettopp kombinasjonen av å jobbe raskt og samtidig nøyaktig. Membranen slipper bare gjennom det den skal:

Membraner for CO2-rensing virker slik at de slipper CO2 igjennom raskere enn de slipper igjennom de andre gassene som finnes i røykgass, som alltid består av en blanding. Men et tilbakevendende dilemma har til nå vært å balansere kravene til høy permeabilitet (hvor raskt en gass slipper igjennom membranen, altså gjennomtrengbarhet), kontra selektivitet – altså hvor konsentrert CO2-gassen er etter å ha passert filteret. 

– Vanligvis har membraner med høy permeabilitet lav selektivitet. Det betyr at resultatet blir en lav konsentrasjon av CO2, fordi også andre gasser sniker seg igjennom. Omtrent som en sil som slipper igjennom for store sandkorn. Er membranen for tett, derimot, vil man få ut for lite CO2 – de små sandkornene vi vil ha tak i slipper ikke igjennom, forklarer Sintef-forsker Marius Sandru.

Det er dette problemet forskerteamet har klart å løse ved hjelp av å kombinere nanoteknologi og en billig plastmembran.

– Vår membran klarer å øke selektiviteten uten at det går på bekostning av effektiviteten, forklarer Sandru.

Laget av materialer som finnes i de fleste hjem

– Vi har tatt utgangspunkt i en plastmembran som er både vanlig og rimelig. Den består av det samme polymer-materialet (PDMS) som brukes i kontaktlinser og et annet som likner litt på teflon – som vi kjenner fra stekepanner. Det er en stor fordel med tanke på material-tilgjengelighet, forteller Sandru.

I tillegg vil prisen på løsningen neppe bli særlig høyrere enn for de membranene som allerede eksisterer. Membraner som kan fange CO2 er attraktiv teknologi: Den tar lite plass og kan tilpasses mange bruksområder, fra rensing av luft i romfart til biogass, naturgass og røykgass. Samtidig er membraner lette å skifte ut.

Magien skjer på overflata

De vanlige polymermaterialene som Sandru viser til, er imidlertid kun brukt som base for den aktive membranen. Det er på overflata magien skjer. Her sitter et nytt nanometertynt polymert lag som forskerteamet har utviklet. Ved hjelp av sin spesielle kjemiske oppbygging gjør dette at membranen kan separere og konsentrere ut CO2-en fra hvilken som helst røykgass, og spesielt når CO2-konsentrasjonen er veldig lav.

Å tilføre energi i form av UV-lys er en av teknikkene som brukes for å gjøre materialet reaktivt. F.v. Lars Eric Molland Parnas, Per Martin Stenstad og Eugenia Mariana Sandru. Foto: Sintef

Dette topplaget på membranen  integreres i resten av membranen. Konseptet kalles «hybrid-integrert membranteknologi». Nå har det altså gitt teamet som består av forskere ved Sintef, NTNU og North Carolina State University internasjonal oppmerksomhet. På hjemmebane har Sintef sikret seg patentrettighetene.

Utallige tester av utallige kombinasjoner

Det har teamet klart etter å ha testet egenskapene til utallige polymer-materialer helt ned på atomnivå. Utallige kombinasjoner av ulike kjemikalier, aminer og prosedyrer for såkalt «grafting» – eller groing – ble også testet ut før forskerne endelig fikk gode resultater.

Forskeren forklarer:

– Å «gro» betyr i denne sammenhengen å danne små polymerkjeder på membranoverflaten. Disse vil bli stikkende ut fra membranen, omtrent som ørsmå hår i nanometer-skala.  Disse «hårene» har  reaktive grupper langs kjeden, for eksempel epoxy-grupper, disse vil binde seg til aminer – en viktig og aktiv del av membranen.  Aminer er en gruppe kjemikalier som det er vanlig å bruke i ulike fangstteknologier for CO2, fordi de har evnen til å reagere med eller binde syrer, som CO2.

– Selve «groingen» oppnår vi med å tilføre energi på polymer-membranet, i dette tilfellet endte vi på at best egnet til dette er UV-bestråling, forklarer forskerkollega Per Stenstad .

Forskerkollega Eugenia Sandru utdyper: – Da dannes såkalte radikaler på overflaten. Disse er meget reaktive, og når vi tilsetter en viss type kjemiske byggeklosser som kalles monomere, vil disse reagere med de aktive punktene. Og ut gror «hårene», derav ordet groing.

Alt skjer i et lukket og kontrollert miljø. 

Når «hårstråene» har fanget og konsentrert CO2-en ved hjelp fra aminene, vil trykket som finnes i røykgassen eller vakuum på den andre siden av membranen, transportere gassene videre ut gjennom membranen. Dermed er kullsyren separert fra resten av gassene og er klar til enten deponi – CCS (Carbon Capture and Sequestration ) eller gjenbruk i andre kjemiske prosesser – CCU (Carbon Capture and Utilisation).

Tykkelsen på en membran måles i mikromenter eller nanometer. Illustrasjonen viser forskjellen på to vanlige membran-konsepter og membranen som nå er utviklet (nederst). Den er bygget i nanometerskala og er en såkalt hybrid-integrert membran. De blå punktene (NH2) er det aktive stoffet; aminene, som fanger CO2-en. Disse sitter på «hårene» som gjør membranen så spesiell. Illustrasjon: Sintef

Nå har forskerne testet membranen mot en røykgassblanding som inneholdt 10 prosent CO2 og 90 prosent nitrogen. Det er en blanding som er representativ for røykgass fra mange industrielle prosesser som bruker fossile brennstoff. Resultatet var at membranen klarte å oppnå ekstrem høy CO2-permeabilitet og samtidig høy CO2-selektivitet mot N2 opp til 1000 avhengig av testforhold.

Les også

Teknologi med flere bruksområder

Men en membran må også være robust nok til å fungere i industriell sammenheng. Derfor har forskerne testet effekten i flere tusen timer med varierende gasstrykk, dampinnhold og temperatur. Og membranen var like hel og gjorde jobben sin.

 – Men det gjenstår naturligvis å se om den er like tøff under reelle forhold utenfor lab'en, sier Marius Sandru i Sintef:  

 – Kan denne teknologien brukes til å separere andre gasser enn CO2 fra eksos og røykgasser?

 – Opprinnelig fokuserte vi på CO2-fangst fra røykgass. Men vi har en del lovende data også for biogass/naturgass-rensing av CO2 med en CO2/metan-selektivitet opp til 500. Vi tror det vil bli mulig å separere ut CO2 også fra gassblandinger med hydrogen med tilsvarende teknologi. Med den interessen vil ser for hydrogen i dag, er dette noe vi ønsker å forfølge. Men vi ser også andre interessante bruksområder, som CO2-rensing fra fermenteringsprosesser, gassifisering og kanskje CO2-fangst fra luft, sier han.

Artikkelen ble først publisert på Gemini.no