Il nuovo processo ottiene rocce comuni per intrappolare il carbonio rapidamente, a buon mercato

Il nuovo processo utilizza il calore per trasformare i minerali comuni in materiali che tirano spontaneamente il carbonio dall’atmosfera e sequestrano permanentemente. Questi materiali reattivi possono essere prodotti nei forni convenzionali, come quelli usati per produrre cemento.

“La terra ha una fornitura inesauribile di minerali in grado di rimuovere CO₂ Dall’atmosfera, ma non reagiscono abbastanza velocemente da soli per contrastare le emissioni di gas serra umano “, ha affermato Matthew Kanan, professore di chimica nella Stanford School of Humanities and Sciences e autore senior dello studio del 19 gennaio in Natura. “Il nostro lavoro risolve questo problema in un modo che pensiamo sia unicamente scalabile.”

Agenti atmosferici migliorati

In natura, i minerali comuni chiamati silicati reagiscono con l’acqua e l’atmosfera Co₂ Per formare ioni di bicarbonato stabili e minerali di carbonato solido – un processo noto come agenti atmosferici. Tuttavia, questa reazione può richiedere da centinaia a migliaia di anni. Dagli anni ’90, gli scienziati hanno cercato modi per rendere le rocce assorbire l’anidride carbonica più rapidamente attraverso tecniche di agenti atmosferici migliorati.

Lo studioso post-dottorato di Kanan e Stanford, Yuxuan Chen, ha sviluppato e dimostrato nel loro laboratorio un nuovo processo per convertire silicati in modo lento in minerali molto più reattivi che catturano e immagazzinano rapidamente carbonio atmosferico. Una sovvenzione dell’acceleratore di sostenibilità presso la Stanford Doerr School of Sustainability sta ora sostenendo gli sforzi per spostare la ricerca in applicazioni pratiche.

“Abbiamo immaginato una nuova chimica per attivare i minerali inerti di silicato attraverso una semplice reazione di scambio ionico”, ha affermato Chen, autore principale dello studio, che ha sviluppato la tecnica mentre guadagnava un dottorato di ricerca in chimica nel laboratorio di Kanan. “Non ci aspettavamo che funzionasse bene.”

Molti esperti affermano che prevenire ulteriori riscaldamenti globali richiederà sia la riduzione dell’uso di combustibili fossili sia per la rimozione in modo permanente miliardi di tonnellate di CO₂ dall’atmosfera. Ma le tecnologie per la rimozione del carbonio rimangono costose, ad alta intensità di energia o entrambe-e non dimostrate su larga scala. Una delle tecnologie che diventa molto interesse e persino gli investimenti in fase iniziale ultimamente è la cattura dell’aria diretta, che utilizza pannelli di grandi ventilatori per guidare l’aria ambiente attraverso i processi chimici o altri per rimuovere CO₂.

“Il nostro processo richiederebbe meno della metà dell’energia utilizzata dalle principali tecnologie di acquisizione dell’aria diretta e pensiamo di poter essere molto competitivi da un punto di vista dei costi”, ha affermato Kanan, che è anche un membro senior presso il Decourt Institute for Energy in La Stanford Doerr School of Sustainability.

Carbonatazione spontanea

Il nuovo approccio è stato ispirato da una tecnica secolare per produrre cemento.

La produzione di cemento inizia convertendo il calcare in ossido di calcio in un forno riscaldato a circa 1.400 gradi Celsius. L’ossido di calcio viene quindi miscelato con sabbia per produrre un ingrediente chiave nel cemento.

Il team di Stanford ha utilizzato un processo simile nella loro fornace da laboratorio, ma invece della sabbia, combinavano ossido di calcio con un altro minerale contenente magnesio e ioni silicati. Se riscaldati, i due minerali hanno scambiato ioni e trasformati in ossido di magnesio e silicato di calcio – due minerali alcalini che reagiscono rapidamente con CO acido₂ nell’aria.

“Il processo funge da moltiplicatore”, ha detto Kanan. “Prendi un minerale reattivo, ossido di calcio e un silicato di magnesio che è più o meno inerte e genera due minerali reattivi.”

Come rapido test di reattività a temperatura ambiente, il silicato di calcio e l’ossido di magnesio sono stati esposti all’acqua e alla CO pura₂. Entro due ore, entrambi i materiali si sono completamente trasformati in minerali di nuovi carbonati con carbonio da CO₂ intrappolato all’interno.

Per un test più realistico, i campioni bagnati di silicato di calcio e ossido di magnesio sono stati esposti direttamente all’aria, che ha una concentrazione molto più bassa di CO₂ di puro co₂ da un carro armato. In questo esperimento, il processo di carbonatazione ha impiegato da settimane a mesi, ancora migliaia di volte più velocemente degli agenti atmosferici naturali.

Il team di Stanford afferma che il loro approccio può essere usato oltre il laboratorio per catturare co₂ su scala industriale.

“Puoi immaginare di diffondere ossido di magnesio e silicato di calcio su grandi aree terrestri per rimuovere CO₂ Da Ambient Air “, ha detto Kanan.” Un’applicazione entusiasmante che stiamo testando ora li sta aggiungendo al suolo agricolo. Mentre mettono in considerazione, i minerali si trasformano in bicarbonati che possono muoversi attraverso il terreno e finire permanentemente immagazzinati nell’oceano. “

Kanan ha affermato che questo approccio potrebbe avere co-benefici per gli agricoltori, che in genere aggiungono carbonato di calcio al suolo per aumentare il pH se è troppo basso-un processo chiamato calcing.

“L’aggiunta del nostro prodotto eliminerebbe la necessità di liming, poiché entrambi i componenti minerali sono alcalini”, ha spiegato. “Inoltre, come agenti di silicato di calcio, rilascia silicio nel terreno in una forma che le piante possono assumere, il che può migliorare i raccolti e la resilienza. Idealmente, gli agricoltori pagherebbero per questi minerali perché sono utili per la produttività agricola e La salute del suolo – e come bonus c’è la rimozione del carbonio “.

Cementando il futuro

Il laboratorio di Kanan può produrre circa 15 chilogrammi (circa 33 libbre) di materiale a settimana. Ma intrappolando co₂ Sulla scala necessaria per influenzare significativamente le temperature globali richiederebbero una produzione annuale di milioni di tonnellate di ossido di magnesio e silicato di calcio.

I ricercatori affermano che gli stessi disegni del forno utilizzati per creare cemento potrebbero produrre i materiali necessari utilizzando abbondanti silicati di magnesio come olivina o serpentina, che si trova in California, nei Balcani e in molte altre regioni. Questi sono anche materiali rimasti comuni – o sterili – dal mining.

“Ogni anno, oltre 400 milioni di tonnellate di sterili con silicati adatti vengono generati in tutto il mondo, fornendo una fonte potenzialmente ampia di materie prime”, ha detto Chen. “Si stima che ci siano più di 100.000 gigatoni di riserve di olivina e serpentina sulla terra, abbastanza da rimuovere permanentemente molto più CO₂ di quanto gli umani abbiano mai emesso. “(Un gigaton equivale a 1 miliardo di tonnellate metriche, o circa 1,1 miliardi di tonnellate.)

Dopo aver tenuto conto delle emissioni associate alla combustione di gas naturale o biocarburanti per alimentare i forni, i ricercatori stimano che ogni tonnellata di materiale reattivo potrebbe rimuovere una tonnellata di anidride carbonica dall’atmosfera. Gli scienziati stimano le emissioni globali di anidride carbonica dai combustibili fossili hanno superato i 37 miliardi di tonnellate nel 2024.

Kanan sta inoltre collaborando con Jonathan Fan, professore associato di ingegneria elettrica nella School of Engineering, per sviluppare forni che corrono sull’elettricità invece di bruciare combustibili fossili.

“La società ha già capito come produrre miliardi di tonnellate di cemento all’anno e i forni a cemento corrono per decenni”, ha detto Kanan. “Se utilizziamo quegli apprendimenti e design, c’è un percorso chiaro su come passare dalla scoperta di laboratorio alla rimozione del carbonio su una scala significativa.”

Matthew Kanan è anche direttore del Tomkat Center di Stanford per l’energia sostenibile. Yuxuan Chen è uno studioso post -dottorato in scienze dei materiali e ingegneria nella School of Engineering.