Engineers Mengembangkan Metode Baru Dalam Mereduksi Karbon Dioksida (CO2) Di Udara


Sebagian besar metode untuk menghilangkan karbon dioksida dari aliran gas memerlukan konsentrasi yang lebih tinggi, seperti yang ditemukan pada emisi cerobong asap dari pabrik industri dan pembangkit listrik berbahan bakar fosil. Berbagai macam cara telah dikembangkan untuk dapat bekerja pada konsentrasi rendah yang dapat ditemukan di udara, tetapi metode baru ini secara signifikan lebih hemat energi, kata para peneliti.

Teknik ini, memiliki prinsip dasar dalam proses transmisi udara melalui tumpukan pelat elektrokimia yang diisi, dijelaskan dalam sebuah makalah baru di jurnal Energy and Environmental Science , oleh Sahag Voskian postdoc MIT, yang telah dikembangkan selama penelitian PhD-nya, dan T. Alan Hatton, Ralph Landau Professor of Chemical Engineering.

Perangkat ini pada dasarnya meyerupai baterai khusus yang dapat menyerap karbon dioksida di udara (atau aliran gas lainnya) melewati elektroda saat sedang diisi ulang, kemudian melepaskan gas saat discharge (pengosongan). Dalam sistem operasinya, perangkat hanya akan bergantian antara pengisian dan pengosongan dengan udara sekitar atau gas umpan yang dimasukkan melalui sistem selama siklus pengisian, lalu kemudian karbon dioksida murni terkonsentrasi dimasukkan selama proses pengosongan (discharging).

Saat baterai diisi, reaksi elektrokimia berlangsung di permukaan setiap tumpukan elektroda. Pada permukaan tersebut dilapisi dengan senyawa yang disebut polyanthraquinone yang dikompositkan dengan karbon nanotube. Elektroda ini memiliki afinitas alami untuk karbon dioksida dan siap bereaksi dengan molekulnya di aliran udara ataupun gas lainnya, bahkan ketika molekul tersebut muncul pada konsentrasi yang sangat rendah. Reaksi balik (reverse) terjadi ketika baterai habis di mana perangkat dapat memberikan sebagian daya yang dibutuhkan pada seluruh sistem dan pada saat proses pengeluaran aliran karbon dioksida murni. Seluruh sistem beroperasi pada suhu kamar dan tekanan udara normal.

"Keuntungan terbesar dari teknologi ini dibanding teknologi penangkapan karbon atau penyerap karbon lainnya adalah sifat biner dari afinitas adsorben terhadap karbon dioksida," jelas Voskian. Dengan kata lain, bahan elektroda pada dasarnya "memiliki afinitas tinggi atau tidak memiliki afinitas apa pun," tergantung pada kondisi pengisian atau pengosongan baterai. Reaksi lain yang digunakan untuk penangkapan karbon membutuhkan langkah-langkah proses kimiawi atau energi internal yang signifikan seperti panas dan perbedaan tekanan yang diberikan.

"Afinitas biner ini memungkinkan penangkapan karbon dioksida dari konsentrasi apa pun, termasuk 400 bagian per juta, dan memungkinkan pelepasannya ke aliran pembawa apa pun, termasuk 100 persen CO2," kata Voskian. Yaitu, karena setiap gas mengalir melalui tumpukan sel-sel elektrokimia yang berbentuk plat, selama langkah pelepasan, karbon dioksida yang ditangkap akan dibawa bersama dengannya. Misalnya, jika produk akhir yang diinginkan adalah karbon dioksida murni untuk digunakan dalam karbonasi minuman, maka aliran gas murni dapat ditiupkan melalui pelat. Gas yang ditangkap kemudian dilepaskan dari lempeng dan bergabung dengan aliran gas yang terbentuk.

Di beberapa pabrik pembuatan botol minuman ringan, bahan bakar fosil dibakar untuk menghasilkan karbon dioksida yang dibutuhkan untuk membuat minuman mereka. Sistem baru ini dapat menghilangkan kebutuhan akan bahan bakar fosil dalam pengaplikasiannya, dan pada proses yang sebenarnya mengeluarkan gas rumah kaca dari udara, kata Voskian. Secara alternatif, aliran karbon dioksida murni dapat dikompresi dan diinjeksikan di bawah tanah untuk pembuangan jangka panjang, atau bahkan dibuat menjadi bahan bakar melalui serangkaian proses kimia dan elektrokimia.

Proses yang digunakan sistem dalam menangkap dan melepaskan karbon dioksida "adalah sebuah revolusi" katanya. "Semuanya bekerja pada kondisi sekitar, tidak perlu kalor internal, tekanan, atau bahan kimia. Lembaran tipis yang terdapat pada kedua permukaannya bersifat aktif dan dapat ditumpuk dalam sebuah kotak yang terhubung ke sumber listrik."

"Di laboratorium saya, kami telah berusaha untuk mengembangkan teknologi baru untuk mengatasi berbagai masalah lingkungan dan menghindari kebutuhan sumber energi panas, perubahan tekanan sistem, atau penambahan bahan kimia untuk menyelesaikan siklus pemisahan dan pelepasan," kata Hatton. "Teknologi penangkapan karbon dioksida ini adalah demonstrasi yang jelas dari kekuatan pendekatan elektrokimia yang hanya membutuhkan tegangan kecil untuk mendorong proses separasi."

Pada sistem pabrik misalnya, pembangkit listrik di mana gas buang diproduksi terus menerus, dua set tumpukan seperti sel elektrokimia dapat diatur berdampingan untuk beroperasi secara paralel, dengan gas buang diarahkan pertama di satu set untuk penangkapan karbon, kemudian dialihkan ke set kedua sementara set pertama masuk ke siklus pembuangannya. Dengan berganti-ganti, sistem selalu bisa menangkap dan mengeluarkan gas. Di lab, tim telah membuktikan sistem dapat menahan setidaknya 7.000 siklus pengisian-pemakaian, dengan 30 persen kerugian efisiensi selama waktu itu. Para peneliti memperkirakan bahwa mereka dapat dengan mudah meningkatkannya menjadi 20.000 hingga 50.000 siklus.

Elektroda itu sendiri dapat diproduksi dengan metode kimia standar. Saat ini sementara dilakukan di dalam pengaturan laboratorium, hal ini dapat disesuaikan sehingga pada akhirnya mereka dapat dibuat dalam jumlah besar melalui proses pembuatan roll-to-roll mirip dengan mesin cetak koran, kata Voskian. "Kami telah mengembangkan teknik yang sangat hemat biaya," katanya, memperkirakan bahwa itu dapat diproduksi seperti puluhan per meter persegi elektroda.

Dibandingkan dengan teknologi penangkapan karbon lain yang ada, sistem ini cukup hemat energi, menggunakan sekitar satu gigajoule energi per ton karbon dioksida yang ditangkap secara konsisten. Metode lain yang ada memiliki konsumsi energi yang bervariasi antara 1 hingga 10 gigajoule per ton, tergantung pada konsentrasi karbon dioksida, kata Voskian.

Para peneliti telah mendirikan sebuah perusahaan bernama Verdox untuk mengkomersialkan proses tersebut, dan berharap untuk mengembangkan pabrik skala industri dalam beberapa tahun ke depan, katanya. Dan sistem ini sangat mudah ditingkatkan, katanya: "Jika Anda ingin kapasitas lebih, Anda hanya perlu membuat lebih banyak elektroda."

Jurnal Referensi:
Sahag Voskian, T. Alan Hatton. Faradaic electro-swing reactive adsorption for CO2 capture. Energy & Environmental Science, 2019; DOI: 10.1039/C9EE02412C