Natrium Karbonat yang Ditingkatkan Secara Nano Mematahkan Hambatan dalam Penangkapan Karbon
Para peneliti telah menciptakan materials hibrida baru yang mengandung natrium karbonat dan nanokarbon untuk menangkap karbon dioksida dari emisi industri. Mereka menemukan bahwa materials ini menunjukkan kapasitas penangkapan CO2 yang tinggi yang bertahan selama 10 siklus regenerasi pada suhu rendah sekitar 80 °C. Kredit: thewritingzone
Para ilmuwan telah mengembangkan nanokomposit karbon menggunakan natrium karbonat yang secara signifikan meningkatkan karbon dioksida dari emisi industri.
Emisi industri merupakan salah satu sumber utama karbon dioksida (CO2), fuel rumah kaca utama yang terkait dengan perubahan iklim. Meskipun mengadopsi alternatif energi terbarukan dan bersih merupakan salah satu pilihan untuk mengurangi emisi karbon ini, teknologi penangkapan karbon merupakan solusi lain untuk mengendalikan emisi CO2.
Dalam industri besar penghasil CO2, seperti semen, kilang minyak, dan pembangkit listrik termal, teknologi penangkapan karbon dapat dengan mudah diterapkan untuk menghilangkan emisi CO2 langsung di sumbernya dengan biaya yang terjangkau dan konsumsi energi yang rendah. Berbagai materials telah dieksplorasi untuk penangkapan CO2 di pabrik, termasuk zeolit, kerangka logam-organik, mineral alami, alkali, dan garam logam alkali. Di antara semuanya, karbonat logam alkali, seperti natrium karbonat (Na2CO3), dianggap sebagai materials yang efektif dan murah dengan sifat yang stabil dan mudah diperoleh.
Meningkatkan Na2CO3 dengan Kerangka Karbon
Secara teoritis, Na2CO3 memiliki kapasitas penangkapan CO2 yang baik dan dapat dengan mudah diregenerasi untuk penggunaan selanjutnya. Namun, penggunaan Na2CO3 secara langsung untuk menangkap CO2 menyebabkan penggumpalan kristal, yang menyebabkan efisiensi yang buruk dan umur pakai yang lebih pendek. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan kerangka karbon untuk Na2CO3. Materials karbon berpori dengan konektivitas pori yang baik memberikan kepadatan rendah, stabilitas struktural, hidrofobisitas, dan luas permukaan yang besar yang dapat menstabilkan Na2CO3.
Penelitian sebelumnya melaporkan bahwa nanokomposit karbon Na2CO3 memiliki kapasitas penangkapan CO2 sebesar 5,2 mmol/g. Akan tetapi, penelitian ini tidak meneliti pengaruh suhu karbonisasi terhadap kinerja materials secara keseluruhan.
Mengoptimalkan Penangkapan CO2 Melalui Karbonisasi
Oleh karena itu, dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di Energi dan Bahan Bakar Pada tanggal 12 Juni 2024, Profesor Hirofumi Kanoh dan Bo Zhang dari Sekolah Pascasarjana Sains, Universitas Chiba, mensintesis bahan penangkap CO2 hibrida yang terdiri dari Na2CO3 yang dibungkus dengan nanokarbon berpori. Mereka selanjutnya mengevaluasi efisiensi penangkapan dan regenerasi CO2 pada suhu karbonisasi yang berbeda. Hibrida Na2CO3−karbon (NaCH) diperoleh dengan karbonisasi disodium terephthalate pada suhu berkisar antara 873K hingga 973 Okay dengan adanya nitrogen sebagai fuel pelindung. “Mengurangi emisi CO2 merupakan isu yang mendesak, tetapi penelitian tentang metode dan sistem materials untuk penangkapan CO2 masih kurang. Sistem hibrida Na2CO3−karbon ini terbukti menjanjikan dalam penyelidikan awal kami, mendorong kami untuk mengeksplorasinya lebih jauh,” ungkap Prof. Kanoh.
Kemajuan dalam Kinerja Hibrida NaCH
Tim mengukur kapasitas penangkapan CO2 dari bahan hibrida dalam kondisi lembap untuk meniru kondisi fuel buang limbah pabrik. Mereka menemukan bahwa hibrida NaCH yang disiapkan pada suhu karbonisasi sekitar 913–943 Okay menunjukkan kapasitas penangkapan CO2 yang lebih tinggi. Di antara semuanya, NaCH-923 memiliki kapasitas penangkapan CO2 tertinggi sebesar 6,25 mmol/g dan kandungan karbon tinggi lebih dari 40%, yang menghasilkan luas permukaan yang lebih besar, memungkinkan distribusi Na2CO3 yang lebih seragam pada permukaan nanokarbon. Hal ini mengurangi laju penggumpalan kristal Na2CO3 dan menghasilkan laju reaksi yang lebih cepat.
Setelah NaCH-923 secara efektif menangkap CO2, para ilmuwan kembali memanaskan NaCH-923-CO2 yang dihasilkan dengan adanya nitrogen untuk menguji kinerja regenerasinya. Mereka menemukan bahwa NaCH-923 dapat diregenerasi dan digunakan untuk penangkapan CO2 selama 10 siklus, sambil mempertahankan lebih dari 95% kapasitas penangkapan CO2 awalnya. Hasil ini menunjukkan bahwa NaCH-923 menunjukkan kekuatan struktural, daya tahan, dan regenerasi yang baik, yang menjadikannya materials yang sangat baik untuk penangkapan CO2 dalam kondisi lembap.
Aplikasi dan Implikasi NaCH-923
Percobaan lebih lanjut pada NaCH-923-CO2 menunjukkan bahwa sampel mengalami perubahan massa yang tajam pada suhu 326−373 Okay (rata-rata sekitar 80 °C). Karena suhu fuel buang dari pembangkit listrik termal juga biasanya berada dalam kisaran tersebut, panas buangan dari pabrik dan pembangkit listrik dapat dengan mudah digunakan sebagai sumber panas untuk meregenerasi NaCH-923, sehingga secara efektif mengurangi konsumsi energi.
Temuan ini menunjukkan bahwa suhu karbonisasi secara signifikan memengaruhi kinerja penangkapan CO2 dan kandungan karbon hibrida NaCH, dengan NaCH-923 menunjukkan karakteristik terbaik. NaCH-923, sebagai penyerap padat, dapat secara efisien menangkap CO2 pada suhu dan tekanan sekitar dengan selektivitas tinggi untuk CO2 dan tanpa masalah korosi peralatan yang ada pada penyerap cair yang saat ini digunakan dalam industri. Selain itu, karakteristik ini memungkinkan penerapannya secara luas dalam berbagai konfigurasi, lingkungan, dan berbagai pengaturan industri.
Kesimpulan dan Prospek Masa Depan
“Dengan mengubah Na2CO3, yang sudah memiliki kapasitas penangkapan CO2 yang baik, menjadi nanokomposit, laju reaksi dapat ditingkatkan dan suhu dekomposisi serta regenerasi dapat dikurangi. Hal ini memungkinkan pemanfaatan panas buangan pabrik untuk regenerasi pada suhu sekitar 80 °C, sehingga menghasilkan sistem penangkapan CO2 yang hemat energi,” simpul Prof. Kanoh.
Referensi: “Bahan Hibrida Natrium Karbonat–Karbon untuk Penangkapan CO2 Konsumsi Energi Rendah” oleh Bo Zhang dan Hirofumi Kanoh, 12 Juni 2024, Energi dan Bahan Bakar.
DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c01232
Hirofumi Kanoh adalah seorang Profesor di Sekolah Pascasarjana Sains, Universitas Chiba, Jepang. Ia mengepalai 'Lab Kanoh' atau Laboratorium Kimia Molekuler di Departemen Kimia. Spesialisasi penelitian utamanya adalah kimia fisika dengan fokus pada penciptaan dan karakterisasi padatan nanopori baru. Penelitiannya bertujuan untuk mengembangkan ilmu molekuler baru yang dapat membantu melindungi lingkungan bumi dengan memanfaatkan nanospace dalam padatan, dan untuk menciptakan ilmu dasar yang bertujuan untuk memahami dan menerapkan fungsi-fungsi baru nanospace dan materials berstruktur nano. Ia telah memiliki lebih dari 300 publikasi dan lebih dari 45 paten di bidang nanokimia.
