Assorbimento chimico e adsorbimento fisico: ruoli chiave nella cattura del carbonio

01 Introduzione

La tecnologia di cattura del carbonio da fonti puntuali mira a ridurre le emissioni di anidride carbonica (CO₂) rilasciate nell'atmosfera ed è diventata una soluzione importante per affrontare il cambiamento climatico. Questo articolo esplorerà due diversi metodi di cattura del carbonio: l'assorbimento chimico e l'adsorbimento fisico, e ne discuterà le caratteristiche nelle applicazioni pratiche.

02 Assorbimento chimico: le basi della cattura del carbonio

Attualmente, l'assorbimento chimico riveste un ruolo importante nella cattura del carbonio, fornendo un mezzo efficace per catturare la CO₂ dai gas di scarico emessi da centrali elettriche, impianti industriali e altre fonti puntuali. In questo processo, il gas ricco di CO₂ fluisce attraverso un solvente liquido. Dopo che il solvente ha assorbito la CO₂, quest'ultima viene rilasciata e separata tramite rigenerazione termica, quindi immagazzinata o utilizzata.

Assorbenti di uso comune come la monoetanolammina (MEA) e la dietanolammina (DEA) sono ampiamente utilizzati grazie alla loro elevata affinità con la CO₂. Questi materiali possono subire reazioni chimiche reversibili con la CO₂ per realizzare cicli di cattura e rilascio. I sistemi di assorbimento tipicamente includono assorbitori, separatori e unità di rigenerazione. Il solvente rigenerato viene reimmesso nell'assorbitore per essere riutilizzato.

La tecnologia di assorbimento che utilizza solventi a base di ammine organiche è nata presto ed è relativamente matura, con sistemi di assorbimento in grado di raggiungere elevati tassi di cattura. Tuttavia, i solventi a base di ammine organiche subiscono una degradazione durante i cicli continui di assorbimento e rigenerazione, con conseguente riduzione della capacità di adsorbimento e necessità di una sostituzione periodica. Inoltre, il processo di rigenerazione del solvente consuma una notevole quantità di energia, che può causare ulteriori emissioni di carbonio in scenari in cui non è disponibile calore di scarto, limitando ulteriormente la sua efficacia complessiva nella riduzione delle emissioni. Infine, lo smaltimento dei solventi di scarto può creare nuovi problemi ambientali. Pertanto, negli ultimi anni, la cattura dell'anidride carbonica basata sulla tecnologia di adsorbimento fisico ha ricevuto un'attenzione crescente.

03 Adsorbimento fisico: cattura del carbonio mediante materiali porosi

La tecnologia di adsorbimento utilizza principalmente materiali porosi come zeoliti, carbone attivo e strutture metallo-organiche (MOF) per l'adsorbimento fisico della CO₂. A differenza dell'assorbimento, l'adsorbimento si riferisce alla cattura fisica delle molecole di CO₂ da parte della superficie di adsorbenti solidi, senza che si verifichino reazioni chimiche durante il processo di adsorbimento.

Tra gli adsorbenti solidi comunemente utilizzati, i materiali a base di carbone attivo presentano una scarsa selettività di adsorbimento, con conseguente bassa efficienza e alto consumo energetico quando applicati alla cattura di CO₂ da fonti puntiformi. Materiali come zeoliti e setacci molecolari, oltre alla scarsa selettività, presentano anche prestazioni significativamente influenzate dal vapore acqueo. Le applicazioni pratiche richiedono ulteriori fasi di essiccazione, con conseguente aumento dei costi di cattura. Inoltre, a causa della scarsa selettività di questi adsorbenti, i gas di scarico con basso contenuto di CO₂ (≤30%) spesso richiedono un adsorbimento a due o più stadi per aumentare la concentrazione di CO₂ a oltre il 90%.

I reticoli metallo-organici (MOF) sono una classe di materiali porosi cristallini composti da ioni o cluster metallici collegati con Legante organicoformando strutture nanoporose con elevate superfici specifiche e strutture porose regolabili. Negli ultimi anni, è stata sviluppata una serie di materiali MOF che possiedono elevata selettività, elevata capacità di adsorbimento e una certa resistenza all'acqua, il che li rende ideali per la cattura di CO₂ da fonti puntiformi. Questi materiali possono ottenere un adsorbimento altamente selettivo e, anche in flussi gassosi con basso contenuto di CO₂, possono aumentare la concentrazione di CO₂ a oltre il 90% attraverso un adsorbimento in un'unica fase, rendendoli soluzioni efficaci nelle applicazioni di cattura del carbonio.

La cattura del carbonio tramite adsorbimento basata su MOF offre molteplici vantaggi. I MOF possiedono proprietà modulabili, che consentono la progettazione di adsorbenti specificamente adattati a particolari esigenze di cattura della CO₂. Possono essere adattati a diversi sistemi di processo di adsorbimento, come l'adsorbimento a variazione di pressione (PSA) e l'adsorbimento a variazione di temperatura (TSA). Inoltre, i MOF possono essere desorbiti a temperature generalmente inferiori rispetto ad altri materiali, riducendo significativamente il consumo energetico.

04 Il futuro della cattura del carbonio

I recenti progressi nel campo dei MOF continuano a superare le limitazioni comuni dei materiali adsorbenti (come la sensibilità all'umidità e la scarsa selettività), grazie alla loro progettazione strutturale personalizzabile. Ottimizzando la composizione e la geometria dei pori dei MOF, i ricercatori sono riusciti a realizzare materiali stabili e ad alte prestazioni. I sistemi basati su MOF possono soddisfare i requisiti standard per un'efficiente cattura del carbonio (purezza del 95% e tasso di recupero del 90%) a diversi livelli di concentrazione, con una minima necessità di pre-strato essiccante. Questa capacità di mitigare la sensibilità all'umidità rappresenta un vantaggio significativo dei MOF rispetto ad altri materiali adsorbenti come le zeoliti.

I MOF mostrano anche un'eccellente stabilità e durata, il che li rende materiali popolari per le applicazioni di cattura del carbonio. Pertanto, la sintonizzabilità di Struttura MofCiò non solo ne aumenta l'efficacia nella cattura della CO₂, ma ne migliora anche la praticità e l'affidabilità in diverse condizioni ambientali, consolidando ulteriormente la loro posizione di leadership nelle tecnologie di cattura del carbonio basate sull'adsorbimento.

Nell'ambito degli sforzi globali per la riduzione delle emissioni di carbonio, l'adsorbimento fisico tramite MOF (Metal-Organic Frameworks) si prospetta come un potenziale straordinario. I ricercatori continuano a condurre attività di ricerca e sviluppo per migliorare ulteriormente la stabilità, la scalabilità e l'economicità dei MOF, favorendone l'ampia applicazione nella cattura industriale del carbonio. Sfruttando i vantaggi dei materiali porosi, possiamo aprire la strada a un futuro verde e sostenibile per le generazioni a venire.

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Riferimenti

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

[2]Journal of Cleaner Production, 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932