Порция зеленых: новые растворители помогут снизить углеродный след
Химики разработали экологически безопасные недорогие растворители, способные поглощать углекислый газ. По эффективности улавливания CO₂ они сопоставимы с коммерчески используемыми поглотителями, но при этом они экономичнее в использовании. Благодаря этому предложенные растворители перспективны для борьбы с выбросами углекислого газа в атмосферу и изменением климата. Эксперты отмечают перспективность таких «зеленых» химикатов, однако для того, чтобы остановить глобальное потепление, одних растворителей мало.
Какие растворы поглощают углекислый газ
Химики из Института химии растворов (ИХР) им. Г.А. Крестова РАН (Иваново) исследовали способность смесей хлорида холина с аминами и амидами (азотсодержащими органическими соединениями) улавливать углекислый газ. Авторы выбрали такие составы, поскольку, согласно предсказаниям алгоритмов машинного обучения, они должны эффективно поглощать CO₂.
Участники научного коллектива
По словам авторов проекта, в 2023 году выбросы углекислого газа в атмосферу Земли достигли рекордных 40 млрд т, главным образом из-за активного использования ископаемых источников энергии, таких как газ, нефть и уголь. Высокий уровень CO₂ в атмосфере напрямую способствует изменению климата и усиливает глобальное потепление. Для борьбы с этой проблемой правительства стран, в том числе России, активно ищут пути сокращения углеродного следа. Сделать это можно с помощью технологий улавливания, хранения и дальнейшего использования углерода. Например, чаще всего углекислый газ улавливают, пропуская содержащую его газовую смесь через раствор аминов. Они связывают углекислый газ, тем самым очищая от него смесь. В дальнейшем смесь можно нагреть, и амины высвободят захваченный CO₂ обратно — тогда его можно будет использовать в химическом синтезе, например при производстве топлива, мочевины и спиртов.
Однако у такого подхода есть недостатки: оборудование под действием подобных реакций подвергается коррозии, а для восстановления и повторного использования растворителя нужно много тепловой энергии. Поэтому в качестве альтернативы ученые рассматривают так называемые глубокие эвтектические растворители — нетоксичные и стабильные смеси из двух и более компонентов, связанных между собой сильной водородной связью. Одним из их компонентов часто выступает хлорид холина — природная биосовместимая, биоразлагаемая и дешевая соль. Другие компоненты можно менять, «настраивая» физические и химические свойства смеси.
Для приготовления новых растворителей хлорид холина, амины или амиды смешивали, затем полученные смеси грели при 70 °С и перемешивали в течение шести часов. Готовые жидкости по очереди помещали в экспериментальную ячейку, куда определенными порциями подавался CO₂. По изменениям массы эвтектических смесей авторы оценивали, сколько углекислого газа каждая из них поглотила.
— Смесь хлорида холина с одним из аминов по эффективности сопоставима с водными растворами аминов, но более экологична и требует меньших энергетических затрат на регенерацию поглотителя. В дальнейшем мы планируем продолжить поиск еще более эффективных смесей для улавливания углекислого газа из источников выбросов, — рассказывает руководитель проекта, доктор химических наук, главный научный сотрудник ИХР РАН Аркадий Колкер.
Что показал эксперимент
Эксперименты показали, что смеси, содержащие амины, в 50 раз лучше улавливают CO₂, чем смеси с амидами. Чтобы объяснить такие результаты, авторы исследовали механизм взаимодействия углекислого газа с каждым из растворителей. Для этого использовали теоретический подход — квантово-химические расчеты, а также экспериментальные методы — ядерный магнитный резонанс и различные варианты спектроскопии. Они позволили оценить структурные изменения в эвтектической смеси до и после поглощения газа.
Оказалось, что растворители на основе холина и аминов вступают в химическое взаимодействие с углекислым газом, образуя стабильные промежуточные продукты. Ученые пришли к выводу: такие смеси могут служить многообещающей альтернативой существующим более дорогим и менее экологичным системам улавливания CO₂.
На основании проведенных экспериментов авторы также предложили модель, с помощью которой можно прогнозировать эффективность различных поглотителей на основе хлорида холина. Она очень проста, поскольку включает всего три параметра: температуру, давление и свободный объем смеси. Такая предсказательная модель может использоваться для поиска новых экологически чистых эвтектических растворителей для поглощения углекислого газа.
Глубокие эвтектические растворители применяются для электроосаждения металлов (также можно проводить электроосаждение сплавов металлов) и получения композитных покрытий металлов, электрохимической полировки, экстракции биологически активных веществ из растительного сырья. Особый интерес представляет способность некоторых таких смесей поглощать диоксид углерода, рассказал «Известиям» кандидат химических наук, доцент кафедры ЮНЕСКО «Зеленая химия для устойчивого развития» РХТУ имени Менделеева Алексей Занин.
— Данный тип растворителей обладает таким преимуществом, как простота получения (смешивание двух или более веществ без специфических условий), а значительная их часть может рассматриваться как биоразлагаемые растворители. Глубокие эвтектические растворители были открыты относительно недавно, они исследуются лишь около 20 лет, поэтому весь потенциал их применения еще предстоит оценить, — отметил он.
Возможно, в будущем найдут состав глубоких эвтектических растворителей, чтобы улавливать углекислый газ из атмосферы, но пока до этого еще очень далеко, считает координатор программы экологизации промышленности Центра охраны дикой природы Игорь Шкрадюк.
— В Институте химии растворов создали модель, позволяющую искать составы растворителей, которые улавливают CO₂. Сейчас эвтектические смеси используются в аналитической химии и тонкой химической технологии в небольших количествах. Но чтобы остановить глобальное потепление, нужно удалить из атмосферы 200 млрд т углекислого газа. Пока это задача не для растворителей, — сказал Игорь Шкрадюк.
Результаты исследования, поддержанного грантом президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Molecular Liquids.
