Verso una più efficiente cattura del CO2

I depuratori umidi sono attualmente l’opzione preferita per catturare il CO2 dei flussi di scarico industriali: pompano l’aria inquinata, la mettono in contatto con un liquido per la depurazione che attrae le molecole di biossido di carbonio e infine pompano fuori l’aria pulita. Sono però sempre necessarie soluzioni più efficienti a fronte del cambiamento climatico e i liquidi ionici (LI) molecolari sono indubbiamente tra i principali candidati.

Dal 2014, la dott.ssa Sonia Zulfiqar dell’Università dei Paesi Baschi, in Spagna, si occupa di un tipo specifico di LI con il sostegno dell’UE nell’ambito del progetto NABPIL (Novel Amide Based Polymeric ionic Liquids: Potential Candidates for CO2 capture). “I liquidi ionici polimerici” (LIP) potrebbero entrare a far parte della famiglia di sostanze assorbenti del CO2 e le loro prestazioni superano significativamente l’efficacia di assorbimento dei liquidi ionici molecolari, già molto efficaci.

Qual è attualmente il problema principale degli impianti di cattura del CO2?

Anche se esiste già una tecnologia per catturare il CO2, la quale prevede l’assorbimento con un solvente chimico, l’assorbimento fisico, il frazionamento criogenico, la separazione a membrana, la fissazione biologica e i processi di combustione di O2/CO2, gli attuali impianti commerciali di cattura utilizzano il processo di depurazione umida. Questo processo usa soluzioni alkanolamine acquose, che spesso presentano problemi legati alla corrosione, la degradazione delle ammine e le perdite di solvente. Per questo è necessario trovare nuovi materiali per un’efficace separazione del CO2.

In questo contesto, quali sono i principali obiettivi di NABPIL?

L’obiettivo principale di NABPIL è la progettazione, la produzione, la caratterizzazione e il collaudo di una nuova classe di liquidi ionici polimerici a base di ammide che potrebbero avere un’alta capacità di catturare il biossido di carbonio dall’alimentazione di gas naturale pre-combustione e dai gas di emissione post-combustione. Questi nuovi materiali possono garantire costi bassi e un’alta capacità di cattura del CO2.

Il nostro obiettivo nell’ambito di questo progetto era spingere la ricerca sulla cattura e la trasformazione del CO2 verso nuove frontiere. Il nostro approccio contribuirà alla creazione di un’economia del CO2 introducendo modi efficienti di catturarlo prima di trasformarlo in prodotti commerciali. Questi obiettivi implicano la creazione di collegamenti tra la chimica e le scienze ambientali e dei materiali.

Perché avete deciso di studiare i liquidi ionici invece di altri materiali? Qual è il loro valore aggiunto?

I materiali normalmente conosciuti per i processi di separazione del CO2 includono la silice, i carboni attivi, le zeoliti e le strutture metallo-organiche. Sono già stati usati con un ottimo livello di successo, ma ci sono ancora molti problemi da risolvere.

Crediamo che la soluzione a questi problemi possa venire dai liquidi ionici (LI), ampiamente conosciuti come “solventi verdi”. Si tratta di materiali molto versatili che sono stati studiati per le loro eccezionali proprietà chimico-fisiche e le applicazioni specificamente nella cattura e separazione del CO2. A differenza dei solventi organici comuni, vantano una pressione di vapore trascurabile, stabilità termica e chimica regolabile.

La funzionalizzazione dei polimeri contenenti gruppi chimici di LI ha portato allo sviluppo di una nuova classe di polielettroliti conosciuta come liquidi ionici polimerici (LIP) che sono stati usati per esempio in elettroliti polimerici per batterie, biosensori, membrane per la cattura e la separazione del CO2, materiali intelligenti, lavorazione della cellulosa e in applicazioni di somministrazione di geni.

L’uso di LIP per la cattura e la separazione del gas dai canali di scarico – o per il suo stoccaggio e trasporto – è al momento il settore più attivo e difficile della ricerca sui LIP. La loro non-volatilità e l’assorbimento alto e reversibile di CO2 li rende ottimi candidati per applicazioni ambientali. LIP che contengono gruppi di ammine e versioni liquide poli-ioniche nano porose sono state progettate specificamente con proprietà migliori di cattura di CO2. Più di recente, è stata dimostrata la loro permeabilità e selettività di altri gas come CO2, N2, CH4 e H2.

Quali sono state le maggiori difficoltà incontrate e come sono state superate?

Lo schema proposto prevedeva prima la preparazione di polimeri a base di ammide, seguita da una reazione di quaternizzazione per produrre liquidi ionici polimerici. Usando questo approccio, non siamo riusciti a ottenere un alto grado di trasformazione in polimeri ionici e i risultati sono stati piuttosto scarsi.

Per superare questo problema abbiamo provato un’altra strategia che consiste nel sintetizzare prima monomeri ionici per poi trasformarli in polimeri ionici. In questo modo abbiamo ottenuto un alto grado di trasformazione e risultati migliori.

Il progetto è ormai concluso. Avete in programma un follow-up?

Nel corso del progetto NABPIL, abbiamo pubblicato il primo articolo di sintesi critica evidenziando l’effetto di diversi parametri sulle prestazioni di assorbimento di CO2 dei LIP. Tenendo conto di questo, vorremmo adesso incorporare una varietà di cationi e anioni CO2-filici nei polimeri ionici e studiarne gli effetti, per ottenere prestazioni di assorbimento del CO2 superiori.

Avete analizzato le potenzialità di mercato dei vostri materiali? Se si, cosa avete riscontrato?

Le potenzialità di mercato di questi nuovi materiali non sono ancora state analizzate. Anche se le capacità di assorbimento di CO2 di questi LIP a base di amido sono superiori a quelle di molti altri LIP, sono ancora inferiori alle alternative non ioniche disponibili sul mercato.

Ci stiamo impegnando per migliorare le prestazioni di assorbimento di CO2 e, una volta che saremo soddisfatti dei risultati, studieremo sicuramente le potenzialità di mercato di questi nuovi LIP.

NABPIL
Finanziato nell’ambito di FP7-PEOPLE
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