Livscykelanalys (LCA) av CO2-adsorbenter består av flera skilda steg som tillsammans ger en helhetsbedömning av deras miljöpåverkan. Dessa steg inkluderar anskaffning av råmaterial, tillverkning, användning, regeneration samt hantering vid livscykelns slut. Varje steg innefattar specifika aktiviteter och processer som måste värderas för att förstå den totala miljöbelastningen av teknologier för koldioxidavskiljning.

Anskaffningsfasen omfattar framtagning av material som aktivt kol, zeoliter eller aminbaserade sorbenter. Miljöpåverkan styrs här av hur råvarorna utvinns, transporter organiseras och hur hållbara materialkällorna är. En noggrann bedömning av miljöavtrycket i denna fas är avgörande för att identifiera förbättringsområden i leveranskedjan.

Under tillverkningen bearbetas råmaterialen till former lämpliga för CO2-absorption, exempelvis pellets eller membran. Denna fas kräver utvärdering av energiförbrukning, utsläpp och avfallsproduktion. Tillverkningsprocesserna måste optimeras för att minimera miljöpåverkan samtidigt som adsorbenterna håller hög kvalitet. Processernas effektivitet och hållbarhet har stor betydelse för LCA:s samlade resultat.

I användningsfasen implementeras CO2-adsorbenter i avskiljningssystem, såsom pre- eller postförbränningsprocesser, eller i industriella tillämpningar som cementproduktion. Det är avgörande att bedöma både fångsteffektivitet och den energi som krävs, eftersom dessa faktorer dominerar livscykelns miljöbelastning. Efter koldioxidfångst måste CO2 desorberas eller regenereras från adsorbenten för fortsatt användning eller avfallshantering. Olika regenereringsmetoder har skilda energibehov och utsläppsprofiler, vilket kräver noggrann utvärdering i LCA.

Livscykelns slutskede behandlar hantering av utslitna adsorbenter, som kan omfatta deponering, förbränning eller återvinning. Varje metod medför olika konsekvenser för resursåtervinning, utsläpp och miljöföroreningar. En genomtänkt bedömning av dessa alternativ är central för att fastställa den mest hållbara strategin för adsorbenternas slutliga hantering.

Forskning har fokuserat på materialval för koldioxidavskiljning, där zeoliter och kolfiberbaserade adsorbenter är särskilt framträdande. En omfattande LCA som använde experimentdata från vakuumtrycksväxladsorption (VPSA) visade att zeolit (13X-APG) ger en ungefär 13 % lägre miljöbelastning än en kolfibermolekylärsil (CMS-330). Användningsfasen står för över 96 % av den totala miljöpåverkan, vilket understryker vikten av energieffektiv drift. Känslighetsanalyser visade att även om byten och avfallshantering påverkar miljön, så är energiintensiteten i VPSA-processen avgörande. Studien framhöll också att integration av förnybar energi kan dramatiskt förbättra koldioxidavskiljningens effektivitet med upp till 96 % för 13X-APG och 84 % för CMS-330.

Jämförelser av produktionen av 1 kg adsorbent visar att zeolitbaserade adsorbenter har högre påverkan på kategorier som resursutarmning av grundämnen, ozonnedbrytning och toxicitet, med en ungefär trefaldig ökning jämfört med kolfiberbaserade. Däremot är kolfiberadsorbenters påverkan större vad gäller användning av fossila bränslen och global uppvärmningspotential (GWP), där belastningen är nästan dubbelt så hög som för zeoliter. Den största skillnaden syns i utarmning av grundämnen, där zeoliter är betydligt mer krävande än kolfiberadsorbenter.

Forskning på metallorganiska ramverk (MOF) visar att dessa material har stor potential tack vare hög yta och designflexibilitet. Dock kräver industriell tillämpning att syntesprocesserna är effektiva, skalbara och hållbara. En livscykelanalys av fyra olika syntesmetoder för MOF-materialet CPO-27-Ni visade att LCA kan användas för att utveckla miljövänliga designstrategier för sådana avancerade adsorbenter.

Det är avgörande att förstå att val av material för CO2-adsorption inte bara handlar om fångsteffektivitet utan också om den samlade miljöpåverkan från hela livscykeln, inklusive energikonsumtion, råvaruutvinning och sluthantering. Energikällornas karaktär, särskilt övergången till förnybar energi, kan radikalt förändra miljönyttan av koldioxidavskiljningstekniker. Därutöver bör framtida forskning fokusera på utveckling av adsorbenter med både hög fångsteffektivitet och låg miljöpåverkan vid produktion och avfallshantering, samt på hållbara och effektiva syntesmetoder för nya material som MOF.

Hur utformar man material för effektiv CO2-adsorption genom yta och porositet?

Att hitta en balanserad metod för att designa material med optimal yta och porositet är avgörande för att förbättra CO2-adsorptionskapaciteten. Aktivt kol är välkänt för sin höga yta och porositet, vilket gör det till en effektiv adsorbent för olika gaser och vätskor. Forskning har visat att fysiosorption av syre på aktivt kol förstärks vid lägre temperaturer, vilket leder till en ökad koncentration av ytoxygenspecies och därmed större reaktivitet vid oxidationsreaktioner. Dessa egenskaper kan justeras genom att välja specifika aktiveringsmedel och kolförhållanden vid karbonylering, vilket påverkar ytan och porstrukturen. Därför är aktivt kol mycket mångsidigt och kan användas för en rad applikationer, från luftrening till energilagring.

Zeoliter är en annan typ av adsorbent som uppvisar unika fysiosorptionskaraktäristika tack vare sina väldefinierade mikroporösa strukturer. Studier har visat att hierarkisk ZSM-5-zeolit uppvisar distinkta fysiosorptionsisoterm för kväve, vilket belyser dess mikroporösa natur och avsaknaden av mesoporer i konventionella prover. Gaser interagerar med zeoliter på ett sätt som påverkas av temperaturen; till exempel har man funnit att adsorptionen av vätesulfid på faujasite-zeoliter huvudsakligen styrs av fysiosorption vid höga temperaturer. Detta innebär att styrkan i dessa interaktioner varierar kraftigt beroende på termiska förhållanden.

Metallorganiska ramverk (MOFs) kännetecknas av exceptionell porositet och justerbara strukturer, vilket gör dem till lovande kandidater för gaslagring och separation. Studier om fysiosorptionen av väte i MOFs har visat att förekomsten av koordinerat osatta metallplatser stärker väteadsorptionen genom starkare polarisationseffekter. Vidare påverkas MOF:ers prestationer i gasadsorption av temperatur och tryck. Till exempel spelar mikroporositeten hos kolbaserade material en avgörande roll vid vätefysiosorption vid låga temperaturer, där interaktionerna huvudsakligen styrs av van der Waals-krafter. Det är också värt att notera att högre temperaturer vanligtvis minskar graden av fysiosorption eftersom adsorbatmolekylernas ökade kinetiska energi gör att de kan övervinna de svagare van der Waals-krafterna som binder dem till adsorbenten. Å andra sidan förbättras fysiosorptionen vid högre tryck genom att öka koncentrationen av adsorbatmolekyler nära adsorbenten, vilket främjar fler interaktioner.

Denna kunskap är central för att kunna utforma effektiva adsorptionssystem inom olika industriella tillämpningar, såsom gaslagring och miljörening. Interaktionen mellan CO2 och adsorbenter kan övergripande klassificeras i två huvudsakliga mekanismer: fysiosorption och kemisorption. Fysiosorption drivs av svaga van der Waals-krafter, medan kemisorption innebär bildandet av starkare kemiska bindningar, ofta förenade med elektronöverföring eller skapandet av nya kemiska arter. Adsorbentens ytegenskaper påverkar effektiviteten i CO2-fångst. Till exempel kan hydroxylgrupper på ytan och basiska metalloxider förbättra adsorptionskapaciteten genom att underlätta bildandet av kemiska bindningar med CO2. Detta fenomen är särskilt uttalat i material som amin-funktionaliserade adsorbenter, där –NH2-grupper kan bilda karbamatarter med CO2 och därigenom avsevärt öka adsorptionskapaciteten.

Kemisk interaktion mellan CO2 och funktionella grupper leder till bildandet av starka kovalenta bindningar, vilket gör dessa material mer effektiva än de som bygger på de svagare interaktionerna vid fysiosorption. Ett exempel på detta är metaller som ceriumoxid (CeO2), där syrevakanser på ytan har visat sig förbättra CO2-adsorptionen genom att skapa ytterligare aktiva bindningssidor. Under CO2-adsorptionen på CeO2 bildas karbonatspecies, vilket tyder på en preferens för specifika konfigurationer som är energetiskt fördelaktiga. Liknande beteende kan observeras i andra material som lagerdubbla hydroxider, där det stödjande materialets kemiska natur har en avgörande inverkan på CO2-adsorptionsprestanda. Dessutom påverkar ytmorfologin och förekomsten av defekter eller brutna bindningar på adsorbentens yta adsorptionsmekanismerna, vilket kan minska den aktiveringsenergi som krävs för att CO2 ska binda till ytan och därigenom underlätta adsorptionsprocessen.

Metalloxider, såsom magnesiumferrit, har visat sig effektivt adsorbera tunga metaller och gaser via kemisorptionsmekanismer. Amin-funktionaliserad magnesiumferrit uppvisar till exempel betydande adsorptionskapacitet tack vare de stabila bindningar som bildas mellan amin-grupper och målsubstanser. Ytkemin hos dessa metalloxider kan skräddarsys för att förbättra deras adsorptionskapacitet. Genom att introducera funktionella grupper som aminer kan antalet aktiva bindningssidor för kemisorption ökas, vilket förbättrar den totala adsorptionskapaciteten. Dessutom kan interaktionen mellan CO2 och ytan på metalloxider leda till bildandet av karbamat-arter, vilket understryker betydelsen av ytkemin för att optimera kemisorptionsprocesserna.

Amin-funktionaliserade adsorbenter har blivit allt viktigare på grund av deras selektiva adsorption av CO2 över andra gaser som N2. Kemisorptionsprocessen i dessa material innebär ofta bildandet av karbamatjoner genom reaktionen mellan CO2 och amin-grupper. Forskning har visat att adsorptionsisoterm för dessa material effektivt kan modelleras med den dual-site Langmuir-modellen, som tar hänsyn till både fysiosorptions- och kemisorptionssidor. Bindningsstyrkan mellan CO2 och dessa funktionaliserade ytor påverkas av typen och densiteten hos amin-grupperna samt den totala ytan på adsorbenten.

Jonvätskor (ILs) har alltmer uppmärksammats för sin potential inom gasfångstapplikationer tack vare sina unika egenskaper, såsom försumbar ångtryck och hög termisk stabilitet. Kemisorption i ILs innebär vanligtvis en interaktion mellan CO2 och basiska anjoner eller katjoner, vilket leder till bildandet av stabila reaktionsprodukter. Uppgifter om uppgifter-specifika jonvätskor (TSILs) funktionaliserade med amin-grupper har visat på betydande CO2-kapacitet, med rapporterade kapaciteter upp till 0,5 mol CO2 per mol TSIL vid omgivande förhållanden. Effektiviteten hos dessa ILs i CO2-fångst påverkas starkt av deras ytkemi, särskilt de basiska anjonernas förmåga att stärka deras interaktion med CO2. Designen av ILs kan optimeras för att förbättra deras reaktivitet och stabilitet, vilket i sin tur förbättrar deras totala prestanda i kemisorptionsapplikationer.

För att effektivt tillämpa CO2-adsorptionsteknologier är det av stor vikt att noggrant överväga både fysiosorptions- och kemisorptionsmekanismerna samt den ytkemi som kan optimeras för specifika ändamål. Ytstrukturen, densiteten av aktiva sidor, samt de termodynamiska förhållandena som temperatur och tryck spelar alla en avgörande roll i hur effektivt CO2 kan fångas och lagras i olika material.

Vilka är de olika typerna av referenscirklar i rundhetmätning och hur påverkar de mätresultatet?
Hur påverkar koncentrationen och gapstorlek överföringen av värme i emulsioner under kokning?
Hur små ferromagnetoelastiska fält påverkar dispersionen i material och strukturer
Kan primordiala svarta hål förklara mörk materia?