Ученые из Чикагского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Университета Дьюка в США совместно с коллегами из Наньянского технологического университета в Сингапуре разработали новый тип фильтра, способный улавливать углекислый газ прямо из воздуха. В отличие от громоздких энергоемких промышленных установок, такой фильтр можно встроить в обычную систему вентиляции жилого дома или офиса. Благодаря этому каждое здание потенциально может стать частью распределенной сети, очищающей атмосферу от CO₂.
В основе разработки лежат углеродные нанофибры — прочные, легкие и пористые структуры, получаемые из полиакрилонитрила методом электроспиннинга. Эта технология заключается в том, что полимерный раствор вытягивается в тончайшие нити под действием электрического поля: под высоким напряжением из капли раствора формируется непрерывная струя, которая, быстро застывая в воздухе, превращается в волокна толщиной всего в несколько сотен нанометров. После обработки при высокой температуре они становятся электропроводными и приобретают большую площадь поверхности, что делает их идеальной основой для активного слоя. На эти волокна наносится тонкое покрытие из полиэтиленимина — вещества, богатого аминогруппами, которые химически связывают молекулы CO₂. Когда воздух проходит через фильтр, углекислый газ реагирует с аминогруппами и превращается в стабильные соединения — соли карбоновых кислот и бикарбонаты, которые затем легко разлагаются при нагревании, высвобождая чистый CO₂ и восстанавливая материал.
Эффективность полученного материала оказалась заметно выше, чем у существующих аналогов. При обычной влажности воздуха фильтр способен поглощать до 4 миллимолей углекислого газа на каждый грамм вещества, то есть 1 килограмм такого материала улавливает почти 180 граммов CO₂. При этом сам он остается достаточно проницаемым для воздуха и не создает дополнительного сопротивления в вентиляционной системе.
Ученые также подобрали два простых и экономичных способа восстановления фильтра, не требующих сложного оборудования и больших энергозатрат: за счет нагрева от солнечного света или короткого электрического импульса. Благодаря высокой светопоглощающей способности углеродных нанофибр фильтр разогревается до 80°C даже при обычной солнечной радиации, и этого достаточно, чтобы связанный CO₂ высвободился. А высокая электропроводность материала позволяет нагревать его электричеством буквально за несколько секунд, после чего фильтр снова готов к работе. Это делает процесс не только эффективным, но и экологичным.
По результатам анализа жизненного цикла при использовании солнечной регенерации фильтр удаляет из атмосферы 92% CO₂ с учетом всех сопутствующих выбросов. И даже при электрическом восстановлении, если энергия поступает из возобновляемых источников, эффективность остается выше 85%.
По расчётам исследователей, если оснастить такими фильтрами хотя бы половину зданий в США, они смогут ежегодно извлекать из воздуха около 25 миллионов тонн CO₂. В мировом масштабе потенциал технологии оценивается почти в 600 миллионов тонн CO₂ в год, что эквивалентно примерно 2% глобальных выбросов.
Экономические расчеты не менее убедительны. Стоимость улавливания и утилизации тонны CO₂ с помощью таких фильтров составляет от 200 до 600 долларов, что сопоставимо с лучшими промышленными установками прямого улавливания, но без необходимости нести колоссальные капитальные затраты.
Таким образом новая разработка способна радикально изменить саму концепцию борьбы с изменением климата: вместо инвестиций в гигантские заводы по улавливанию CO₂ можно создавать сотни миллионов компактных и дешевых фильтров, встраивая их в повседневную инфраструктуру.
