Penyerapan Kimia dan Adsorpsi Fisik: Peran Kunci dalam Penangkapan Karbon

01 Pendahuluan

Teknologi penangkapan karbon titik sumber bertujuan untuk mengurangi emisi karbon dioksida (CO₂) yang dilepaskan ke atmosfer dan telah menjadi solusi penting untuk mengatasi perubahan iklim. Artikel ini akan membahas dua metode penangkapan karbon yang berbeda: penyerapan kimia dan adsorpsi fisik, serta mendiskusikan karakteristiknya dalam aplikasi praktis.

02 Penyerapan Kimia: Landasan Penangkapan Karbon

Saat ini, penyerapan kimia memainkan peran penting dalam penangkapan karbon, menyediakan cara efektif untuk menangkap CO₂ dari gas buang yang dikeluarkan oleh pembangkit listrik, fasilitas industri, dan sumber titik lainnya. Dalam proses ini, gas kaya CO₂ mengalir melalui pelarut cair. Setelah pelarut menyerap CO₂, CO₂ yang ditangkap dilepaskan dan dipisahkan melalui regenerasi termal, kemudian disimpan atau dimanfaatkan.

Absorben yang umum digunakan seperti monoetanolamina (MEA) dan dietanolamina (DEA) banyak diaplikasikan karena afinitasnya yang tinggi terhadap CO₂. Material ini dapat mengalami reaksi kimia reversibel dengan CO₂ untuk mencapai siklus penangkapan dan pelepasan. Sistem absorpsi biasanya mencakup absorber, separator, dan unit regenerasi. Pelarut yang diregenerasi dikembalikan ke absorber untuk digunakan kembali.

Teknologi absorpsi menggunakan pelarut amina organik telah dimulai sejak awal dan relatif matang, dengan sistem absorpsi yang mampu mencapai tingkat penangkapan yang tinggi. Namun, pelarut amina organik mengalami degradasi selama siklus absorpsi-regenerasi berkelanjutan, yang menyebabkan penurunan kapasitas adsorpsi dan memerlukan penggantian secara berkala. Selain itu, proses regenerasi pelarut mengkonsumsi energi yang signifikan, yang dapat menyebabkan emisi karbon tambahan dalam skenario tanpa panas limbah yang tersedia, sehingga semakin membatasi efektivitas pengurangan emisi secara komprehensif. Lebih jauh lagi, pembuangan pelarut limbah dapat menimbulkan masalah lingkungan baru. Oleh karena itu, dalam beberapa tahun terakhir, penangkapan karbon dioksida berdasarkan teknologi adsorpsi fisik telah mendapat perhatian yang semakin meningkat.

03 Adsorpsi Fisik: Penangkapan Karbon Menggunakan Material Berpori

Teknologi adsorpsi terutama memanfaatkan material berpori seperti zeolit, karbon aktif, dan kerangka logam-organik (MOF) untuk adsorpsi fisik CO₂. Tidak seperti absorpsi, adsorpsi mengacu pada penangkapan fisik molekul CO₂ oleh permukaan adsorben padat, tanpa reaksi kimia yang terjadi selama proses adsorpsi.

Di antara adsorben padat yang umum digunakan, material karbon aktif menunjukkan selektivitas adsorpsi yang buruk, sehingga menghasilkan efisiensi rendah dan konsumsi energi tinggi ketika diterapkan pada penangkapan CO₂ dari sumber titik. Material seperti zeolit ​​dan saringan molekuler, selain selektivitasnya yang buruk, juga memiliki kinerja yang sangat dipengaruhi oleh uap air. Aplikasi praktis memerlukan langkah pengeringan tambahan, yang menyebabkan peningkatan biaya penangkapan. Lebih lanjut, karena selektivitas adsorben ini yang buruk, gas buang dengan kandungan CO₂ rendah (≤30%) seringkali memerlukan adsorpsi dua tahap atau multi-tahap untuk meningkatkan konsentrasi CO₂ hingga lebih dari 90%.

Kerangka logam-organik (MOF) adalah kelas material berpori kristalin yang terdiri dari ion atau gugus logam yang terhubung dengan Penghubung Organiks, membentuk kerangka nanopori dengan luas permukaan spesifik yang tinggi dan struktur pori yang dapat disesuaikan. Dalam beberapa tahun terakhir, serangkaian material MOF telah dikembangkan yang memiliki selektivitas tinggi, kapasitas adsorpsi tinggi, dan ketahanan air tertentu, menjadikannya ideal untuk penangkapan CO₂ sumber titik. Material ini dapat mencapai adsorpsi yang sangat selektif, dan bahkan dalam aliran gas dengan kandungan CO₂ rendah, mereka dapat meningkatkan konsentrasi CO₂ hingga lebih dari 90% melalui adsorpsi satu tahap, menjadikannya solusi yang ampuh dalam aplikasi penangkapan karbon.

Penangkapan karbon adsorpsi berbasis MOF menawarkan berbagai keuntungan. MOF memiliki sifat yang dapat disesuaikan, memungkinkan desain adsorben yang secara khusus dirancang untuk kebutuhan penangkapan CO₂ tertentu. MOF dapat diadaptasi ke berbagai sistem proses adsorpsi, seperti adsorpsi ayunan tekanan (PSA) dan adsorpsi ayunan suhu (TSA). Selain itu, MOF biasanya dapat didesorb pada suhu yang lebih rendah dibandingkan dengan material lain, sehingga secara signifikan mengurangi konsumsi energi.

04 Masa Depan Penangkapan Karbon

Kemajuan terbaru di bidang MOF terus mengatasi keterbatasan umum material adsorpsi (seperti sensitivitas terhadap kelembapan dan selektivitas yang buruk), berkat desain strukturalnya yang dapat disesuaikan. Dengan menyempurnakan komposisi dan geometri pori MOF, para peneliti telah berhasil merekayasa material yang stabil dan berkinerja tinggi. Sistem berbasis MOF dapat memenuhi persyaratan standar untuk penangkapan karbon yang efisien (kemurnian 95% dan tingkat pemulihan 90%) pada berbagai tingkat konsentrasi, hanya dengan sedikit lapisan pengering yang dibutuhkan. Kemampuan untuk mengurangi sensitivitas terhadap kelembapan ini merupakan keunggulan signifikan MOF dibandingkan dengan material adsorpsi lain seperti zeolit.

MOF juga menunjukkan stabilitas dan daya tahan yang sangat baik, menjadikannya material populer untuk aplikasi penangkapan karbon. Oleh karena itu, kemampuan untuk mengatur (tunability) Struktur MofHal ini tidak hanya meningkatkan efektivitasnya dalam penangkapan CO₂ tetapi juga meningkatkan kepraktisan dan keandalannya dalam berbagai kondisi lingkungan, sehingga semakin memperkuat posisi terdepannya dalam teknologi penangkapan karbon berbasis adsorpsi.

Dengan upaya pengurangan karbon global, adsorpsi fisik menggunakan MOF sebagai adsorben akan menunjukkan potensi yang luar biasa. Para peneliti terus melakukan penelitian dan pengembangan berkelanjutan untuk lebih meningkatkan stabilitas, skalabilitas, dan efektivitas biaya MOF, mendorong penerapannya secara luas dalam penangkapan karbon industri. Dengan memanfaatkan keunggulan material berpori, kita dapat membuka jalan bagi masa depan yang hijau dan berkelanjutan untuk generasi mendatang.

Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. adalah perusahaan inovatif teknologi pertama di Tiongkok yang mencapai produksi massal MOF, di mana ratusan MOF fungsional telah dikembangkan. Tim kami memiliki keahlian teknis yang mendalam dalam sintesis dan aplikasi MOF. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang aplikasi MOF dan kustomisasi fungsional, silakan hubungi tim ahli Tanyu kami untuk solusi profesional.

Referensi

[1]Heliyon, 9 (2023), e22341, 10.1016/j.heliyon.2023.e22341

[2]Jurnal Produksi Bersih, 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932