CO2 afvangen: de 4 belangrijkste technieken

Wat zijn de meest relevante industriële CO₂ afvang technologieën? Een volledig overzicht geven van alle CO₂ afvang technologieën is onmogelijk. Wereldwijd zijn er een enorm aantal patenten geregistreerd die verband houden met CO₂ afvang. Volgens Science Direct zijn er ongeveer 1000 patenten gepubliceerd, waarvan zo’n 25% in de afgelopen twee 2 jaar. Voor de industrie is het vooral relevant om commerciële afvangtechnieken op kleinere schaal te kunnen toepassen.

De 4 belangrijkste CO2 afvang technologieën

De 4 belangrijkste technieken die nu al worden toegepast, zijn:

1. Absorptie
2. Adsorptie
3. Membranen
4. Bio-mogelijkheden

1. Absorptie / Oplosmiddelen

Bij absorptie van CO₂ in een vloeistof wordt de CO₂ door het hele medium opgenomen. Hierbij zijn er 2 opties: fysische absorptie en chemische absorptie. Door de vloeistof/het oplosmiddel in contact te brengen met het gas, haal je selectief de CO₂ eruit. Dit kan bijvoorbeeld in een gaswasser.

Fysische absorptie

CO₂ wordt er selectief uitgewassen, doordat de CO₂ goed oplost in het oplosmiddel.

• Vaak worden methanol, ethers en glycolethers gebruikt. Het is minder efficiënt dan chemische absorptie.
• In dit kader wordt er ook veel research gedaan aan vloeibare zouten (ionic liquids) welke thermisch stabiel en niet vluchtig zijn. Deze kunnen zo getuned worden dat ze veel CO₂ kunnen opnemen

Chemische absorptie

Bij chemische absorptie reageert de CO₂ met het oplosmiddel.

• De belangrijkste oplosmiddelen voor het chemisch afvangen zijn amines, vaak in een waterige oplossing. Amines reageren met CO₂ tot carbamaat.

Een amine (R-NH₂) reageert met CO₂ en vormt een zwitterion:

R-NH2 + CO2 → R-NH2+-COO−

Hierbij bindt de amine zich aan CO₂, waardoor het uit de gasfase wordt verwijderd. Het zwitterion staat een H+ af, waardoor een stabiel carbamaat-ion ontstaat:

R-NH2+-COO− → R-NH-COO- + H+

Dit proces is reversibel: bij verhitting wordt de CO₂ vrijgemaakt. Ethanolamine is een bekende chemische verbinding die hiervoor wordt gebruikt, maar veel primaire amines zijn geschikt.

• Het gebruik van gekoelde ammonia is ook een bekend proces (CAP – Chilled Ammonia Process). CO₂ reageert met ammoniak en vormt ammoniumcarbonaat en ammoniumbicarbonaat. Bij verwarming komt de CO₂ weer vrij.
• En een waterige oplossing met loog kan de CO₂ ook afvangen als carbonaat of bicarbonaat. In dit kader wordt “Calcium looping” genoemd als voorbeeld. Bij verhogen van de pH komt de CO₂ weer vrij.

2. Adsorptie – vaste stof bedden (adsorbents)

Bij adsorptie wordt de CO₂ uit de gasfase alleen selectief aan het oppervlak van een stof opgenomen, zoals bij vaste stoffen. Dat kan door een fysische of chemische interactie zoals hierboven beschreven. Als je een actief koolbed gebruikt met geïmpregneerde amines kun je CO₂ selectief binden. Als het bed is verzadigd met CO₂, kun je door verwarming de CO₂ weer vrij maken.

Naast geïmpregneerde actieve kool bedden worden ook zeolieten, en MOF’s (Metal Organic Frameworks) gebruikt.

• Zeolieten zijn aluminosilicaten (Si, Al,O). Ze hebben een poreuze kristalstructuur die specifiek ionen en moleculen kunnen vasthouden.
• Een MOF is een poreus materiaal dat bestaat uit metaal-ionen/clusters die verbonden zijn door organische moleculen (liganden). Dit resulteert in een kristallijn netwerk met een hoge porositeit en een groot oppervlak. De liganden kunnen getuned worden om CO₂ adsorptie te maximaliseren. Aan de MOF’s wordt veel research gedaan.
• Vacuum Swing Bed Adsorption (VSA/SBA), is een technologie die wordt toegepast met vaste adsorptiematerialen in combinatie met drukcycli. Bij hoge druk vind adsorptie van CO₂ plaats en bij lage druk desorptie.

3. Membranen:

Er worden 3 soorten membranen genoemd in de vakliteratuur: grafeen, polymeer en keramische membranen. De membranen werken door CO₂ selectief door te laten en andere gassen tegen te houden.

• Grafeen-gebaseerde leveren een hoge selectiviteit.
• De keramische zijn thermostabiel en kunnen eventueel als katalysator in chemische reacties helpen.

Membranen worden veel toegepast bij scheiding van (bio)methaan, of bij productie van blauwe waterstof.

4. Bio-mogelijkheden

CO2 opname door de natuurlijke processen als fotosynthese, bijvoorbeeld door algengroei of boomaanplant. Deze technieken komen uitgebreider aan bod in het artikel over gebruik van CO2 en opslag van CO2.

Het belangrijkste aspect van de verschillende technologieën is de toepassing en het gewenste CO2-eindproduct.

Ontwikkelingen

Eind 2024 waren er zo’n 1000 CO₂ afvangprojecten in de wereld bekend, waarvan 220 daadwerkelijk in bedrijf. De huidige (2024) globale CO₂-uitstoot, door de mens geproduceerd, is 37 gigaT waarvan 46 megaT werd afgevangen. Dit is 0.08% van wat we produceren. Volgens experts moeten we naar 50% (~20 gigaT). Kortom, nog 200 keer de huidige capaciteit te gaan. Als procesindustrie is het belangrijk om de ontwikkelingen te volgen. Door schaalverkleining kunnen bepaalde technologieën zomaar interessant worden.

Ontwikkelingen op het gebied van afvangen

De meeste ontwikkelingen zitten waarschijnlijk op het gebied van het afvangen. Er worden veel onderzoek gedaan naar het verbeteren van de absorbents/oplosmiddelen, adsorbents/vaste bedden en membranen. De research richt zich met name op het opnamevermogen, de selectiviteitsverbetering en het versnellen van de processen.