Углекислый газ (CO2) является одним из основных парниковых газов, способствующих глобальному изменению климата. Многие индустриальные процессы и энергетика выделяют большие объемы CO2, что требует развития надежных и эффективных технологий его улавливания и последующего хранения или переработки. Среди различных методов улавливания CO2 аминовые процессы занимают важное место, базируясь на химическом связывании газа с аминными соединениями. Традиционные установки работают на высокой температуре для регенерации аминов, что приводит к высокому энергопотреблению и износу реагентов. Хорошей альтернативой выступают электрохимические методы, которые используют электрическую энергию для регенерации без необходимости в сильном нагреве.
Одной из таких передовых технологий является безмембранная электрохимически управляемая регенерация аминов (EMAR, Electrochemically Mediated Amine Regeneration). Этот метод кардинально меняет традиционные схемы и открывает новые горизонты в области CCS (carbon capture and storage). Концепция EMAR основана на использовании электрохимических процессов для восстановления аминов, связанных с CO2. Вместо термического воздействия на насыщенные растворы аминов, EMAR применяет электрохимическую ячейку, где соответствующие реакции способствуют выделению и отделению углекислого газа. Большинство существующих EMAR-систем полагаются на специальные ионыселективные мембраны, которые разделяют анод и катод, обеспечивая изоляцию реакционных сред и эффективное протекание процесса.
Однако использование мембран связано с высокими капитальными затратами и техническими сложностями эксплуатации, что тормозит коммерциализацию технологии. Современный прорыв заключается в разработке безмембранной конфигурации EMAR, где ключевую роль играют газораспространительные электроды (GDE). Эти электроды обеспечивают прямой контакт с газовой фазой, позволяя эффективно удалять десорбированный CO2 с анодной стороны и одновременно абсорбировать свежий CO2 на катодной. За счет такой архитектуры устраняется необходимость в мембранах, а также происходит упрощение схемы процесса с одновременным уменьшением места для оборудования и затрат. Находится решение и для замены традиционной абсорбционной колонны, которая теперь может быть интегрирована непосредственно в работу GDE, что значительно сокращает объем производственных установок.
Безмембранная EMAR с использованием GDE работает по принципу комплексной электрокаталитической реакции, включающей окисление и восстановление меди в аминном растворе. Медный электрод служит центром, вокруг которого формируются комплексные соединения с эфирными аминовыми группами и CO2. Эти комплексы при определенных условиях распадаются, выделяя углекислый газ, который затем выводится через пористую структуру электрода непосредственно в газовую фазу. Направленное движение ионов и смена их химического состояния происходит за счет электрического поля и диффузионных процессов, что обеспечивает высокую селективность и эффективность. Такая конфигурация позволяет отказаться от насосов и циркуляционного оборудования, работая в "flow-by" режиме, где газы и жидкости движутся параллельно поверхности электродов.
Современные исследования показывают эффективность безмембранных систем EMAR с использованием двух типов газораспространительных электродов: механически прикрепленных металлических сеток и электроосажденных медных пленок на углеродных подложках. Оценка их производительности проводится по трем ключевым параметрам: эффективность удаления CO2, плотность тока и энергетические затраты. Механически прикрепленные металлические сетки характеризуются простой конструкцией и обеспечивают высокую плотность тока за счет значительной массы металла, однако страдают от наличия микрогапа между сеткой и углеродной подложкой. Этот зазор заполняется электролитом, в результате чего десорбированный CO2 частично реабсорбируется обратно, снижая общую эффективность. Плотность тока таких устройств достигает достаточно высоких значений, но эффективность по захвату колеблется в пределах 35-55%, что далековато от идеала.
С другой стороны, электронно осажденные GDE предлагают практически полное устранение микрогапа, так как медь наносится без промежутков, прямо на поверхность углеродной бумаги. Это позволяет добиться эффективности удаления CO2 выше 90%, что значительно превосходит традиционные мембранные системы. Однако избыточное осаждение меди ведет к формированию плотного слоя, который становится физическим барьером для выхода десорбированного CO2, что в свою очередь снижает эффективность. Оптимальная загрузка меди и выбор углеродного субстрата, таких как Toray 060, позволяют достигать хорошего баланса между плотностью тока, эффективностью и энергетическими расходами, которые могут составлять всего около 60-80 кДж на моль CO2. Помимо экспериментальных изучений, важным вкладом в развитие безмембранной EMAR стала комплексная технико-экономическая оценка (TEA).
Анализ учитывает капитальные и операционные затраты, влияние стоимости материалов электродов и оборудования, энергетическую эффективность. Итоги указывают на то, что исключение мембраны и упрощение технологической схемы снижает капитальные затраты почти вдвое по сравнению с традиционными EMAR-системами, а уровень стоимости улавливания CO2 приближается к 70 долларам за тонну с перспективой дальнейшего снижения до 50 долларов при улучшении плотности тока и эффективности. Такое снижение стоимости и упрощение конструкции открывает большое поле для масштабирования технологии и промышленного внедрения, особенно в энергетическом секторе и различных промышленных производственных цепочках. Благодаря модульной структуре установки, ее можно легко адаптировать к различным типам источников выбросов - от крупных тепловых электростанций до небольших цементных заводов. Дальнейшее развитие технологии сосредоточено на повышении плотности тока при сохранении высокой эффективности удаления CO2 и низкого энергопотребления.
Для этого исследуются варианты улучшения катализаторов, увеличения поверхности электродов, оптимизации пористой структуры GDE и усовершенствования электролитов с добавками. Также важным направлением является долговременная стабильность материалов и устойчивость к загрязнению газовых потоков, особенно к продуктам сгорания с присутствием оксидов серы и других примесей. Важное внимание уделяется возможности интеграции безмембранной EMAR с существующими системами улавливания CO2 и методами дальнейшей утилизации или хранения. Электрохимический подход при этом может сочетаться с другими стратегиями снижения выбросов, включая электрокаталитическое преобразование CO2 в полезные углеродосодержащие соединения, что открывает путь к циклическому и устойчивому использованию ископаемого углерода. В итоге безмембранная электрохимически управляемая регенерация аминов представляет собой революционную платформу в области технологического улавливания углекислого газа, предлагая сочетание высокой эффективности, экономичности и компактности.
Устранение мембранных барьеров позволяет не только снизить затраты и повысить надежность, но и создает условия для более легкого масштабирования и внедрения в разнообразных промышленных процессах. Следующий этап развития этой технологии связан с устранением текущих технических ограничений, улучшением долговечности и адаптацией к реальным потокам промышленных выбросов. При успешной реализации безмембранная EMAR способна значительно продвинуть борьбу с глобальным изменением климата и повысить энергетическую безопасность стран. .
