การขจัด CO2 ออกจากชั้นบรรยากาศเพื่อชะลอสภาวะโลกร้อน

ใช้พลังงานจำนวนมากในการทำลายพันธะคู่ที่แข็งแรงระหว่างอะตอมของคาร์บอน (สีดำ) และออกซิเจน (สีแดง) ในโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ เพื่อประหยัดพลังงาน นักวิจัยกำลังทดลองกับตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีและแรงบันดาลใจทางชีวภาพ

พลาสติกเป็นวิกฤตที่ร้ายแรงต่อสิ่งแวดล้อม ตั้งแต่การใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลไปจนถึงการสะสมในหลุมฝังกลบและมหาสมุทร แต่เราเป็นสังคมที่เสพติดพลาสติกและทุกอย่างก็ให้เรา ไม่ว่าจะเป็นโทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์ รองเท้า Crocs มีวิธีให้เค้ก(ที่ห่อด้วยพลาสติก)ของเรากินด้วยมั้ย?

ใช่ป่วยพูด ประการแรก เขาหาเรื่อง ปิดบ่อน้ำมัน ต่อไป ทำพลาสติกจากคาร์บอนเหนือพื้นดิน ปัจจุบันมีผลิตภัณฑ์ที่ทำจาก CO2 20 ถึงมากกว่า 40 เปอร์เซ็นต์ สุดท้ายนี้ เขากล่าวว่า สร้างเศรษฐกิจแบบหมุนเวียน ซึ่งช่วยลดการใช้ทรัพยากร นำผลิตภัณฑ์กลับมาใช้ใหม่ จากนั้นจึงรีไซเคิลเป็นผลิตภัณฑ์ใหม่อื่นๆ

“ไม่เพียงแต่เราสามารถกำจัดคาร์บอนจากฟอสซิลที่เป็นแหล่งกำเนิด เพื่อไม่ให้เพิ่มงบประมาณคาร์บอนเหนือพื้นดิน แต่ในกระบวนการนี้ เรายังคิดใหม่ถึงวิธีที่เราผลิตพลาสติกได้อีกด้วย” Sick กล่าว เขาแนะนำว่าพวกมันได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะ “เพื่อให้มีชีวิตยืนยาวมาก เพื่อที่พวกเขาจะได้ไม่ต้องถูกแทนที่ … หรือพวกมันจะสลายตัวในลักษณะที่เป็นพิษเป็นภัย”

แต่การสร้างพลาสติกจากอากาศที่เบาบางนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย จำเป็นต้องสกัด CO2 จากบรรยากาศหรือปล่องควัน เช่น โดยใช้อุปกรณ์พิเศษ บ่อยครั้งที่จำเป็นต้องบีบอัดให้อยู่ในรูปของเหลวและขนส่ง โดยทั่วไปผ่านทางท่อ ประการสุดท้าย เพื่อให้บรรลุเป้าหมายโดยรวมในการลดปริมาณคาร์บอนในอากาศ ปฏิกิริยาเคมีที่เปลี่ยน CO2 เป็นโครงสร้างหลักของพลาสติกจะต้องใช้พลังงานเพิ่มให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การรักษาระดับการใช้พลังงานให้ต่ำเป็นความท้าทายพิเศษเมื่อต้องจัดการกับโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์

มีเหตุผลที่คาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพสูง มีความเสถียรอย่างไม่น่าเชื่อและสามารถคงอยู่ในชั้นบรรยากาศเป็นเวลา 300 ถึง 1,000 ปี ความเสถียรนั้นทำให้ CO2 แตกตัวได้ยากและเพิ่มเข้าไปในสารเคมีอื่นๆ โดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนมากสำหรับปฏิกิริยา

“นี่เป็นปัญหาพลังงานพื้นฐานของ CO2” เอียน ท็องส์ นักเคมีแห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตาในมินนิอาโปลิสกล่าว “พลังงานเป็นสิ่งจำเป็นในการตรึง CO2 ไว้กับพลาสติก เรากำลังพยายามค้นหาพลังงานนั้นด้วยวิธีที่สร้างสรรค์”

ตัวเร่งปฏิกิริยาเสนอคำตอบที่เป็นไปได้ สารเหล่านี้สามารถเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี และทำให้ความต้องการพลังงานลดลง นักวิทยาศาสตร์ในสาขา CO2-to-plastics ได้ใช้เวลากว่าทศวรรษในการค้นหาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิและความดันใกล้เคียงกับห้อง และประสาน CO2 เพื่อสร้างเอกลักษณ์ทางเคมีใหม่ ความพยายามเหล่านี้แบ่งออกเป็นสองประเภทกว้างๆ ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงทางเคมีและทางชีวภาพ

ความพยายามครั้งแรก

การทดลองในช่วงต้นมุ่งเน้นไปที่การเติม CO2 ให้กับโมโนเมอร์ที่มีปฏิกิริยาสูง เช่น อิพอกไซด์ เพื่ออำนวยความสะดวกในการเกิดปฏิกิริยา อีพอกไซด์เป็นวงแหวนสามส่วนที่ประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอมและอะตอมของคาร์บอนสองอะตอม เช่นเดียวกับสปริงภายใต้แรงดึง พวกเขาสามารถเปิดได้อย่างง่ายดาย

ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 นักเคมีอุตสาหกรรม Christoph Gürtler และนักเคมี Walter Leitner แห่งมหาวิทยาลัย Aachen ในเยอรมนี พบตัวเร่งปฏิกิริยาสังกะสีที่ช่วยให้สามารถเปิดวงแหวนอิพอกไซด์ของพอลิโพรพิลีนออกไซด์และรวมเข้ากับ CO2 ได้ หลังจากเกิดปฏิกิริยา CO2 จะถูกรวมอย่างถาวรกับโมเลกุลโพลีโพรพีลีนและไม่อยู่ในรูปของก๊าซอีกต่อไป ซึ่งเป็นสิ่งที่จริงสำหรับปฏิกิริยาระหว่าง CO2 กับพลาสติกทั้งหมด ผลงานของพวกเขาทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ CO2 เชิงพาณิชย์ชิ้นแรกชิ้นแรก นั่นคือโฟมโพลียูรีเทนที่มี CO2 ที่ดักจับได้ 20 เปอร์เซ็นต์

ปัจจุบัน บริษัท Covestro ของเยอรมัน ซึ่ง Gürtler ทำงานอยู่นั้น จำหน่ายผลิตภัณฑ์นี้ปีละ 5,000 ตันในที่นอน การตกแต่งภายในรถยนต์ ฉนวนกันความร้อนในอาคาร และพื้นสนามกีฬา

การวิจัยเมื่อเร็วๆ นี้มุ่งเน้นไปที่โมโนเมอร์อื่นๆ เพื่อขยายความหลากหลายของพลาสติกที่ใช้ CO2 บิวทาไดอีนเป็นโมโนเมอร์ไฮโดรคาร์บอนที่สามารถนำมาใช้ทำโพลีเอสเตอร์สำหรับเสื้อผ้า พรม กาว และผลิตภัณฑ์อื่นๆ

ในปี 2020 นักเคมี James Eagan จาก University of Akron ในโอไฮโอได้ผสม butadiene และ CO2 กับชุดตัวเร่งปฏิกิริยาที่พัฒนาขึ้นที่ Stanford University Eagan หวังที่จะสร้างโพลีเอสเตอร์ที่มีคาร์บอนเป็นลบ ซึ่งหมายความว่ามีผลสุทธิในการขจัด CO2 ออกจากชั้นบรรยากาศแทนที่จะเพิ่มเข้าไป เมื่อเขาวิเคราะห์เนื้อหาของขวดขวดหนึ่ง เขาค้นพบว่าเขาได้สร้างสิ่งที่ดียิ่งขึ้น: โพลีเอสเตอร์ที่ทำจาก CO2 ร้อยละ 29 ซึ่งจะย่อยสลายในน้ำที่มีค่า pH สูงให้กลายเป็นสารอินทรีย์

“เคมีก็เหมือนการทำอาหาร” อีแกนกล่าว “เราเอาช็อกโกแลตชิป แป้ง ไข่ เนย ผสมเข้าด้วยกัน และแทนที่จะได้คุกกี้ เราเปิดเตาอบและพบหม้อไก่”

สิ่งประดิษฐ์ของ Eagan ถูกนำไปใช้งานทันทีในอุตสาหกรรมรีไซเคิล ซึ่งเครื่องจักรมักจะติดกาวจากกาวที่ไม่ย่อยสลายที่ใช้ในบรรจุภัณฑ์ ฉลากขวดโซดา และผลิตภัณฑ์อื่นๆ กาวที่แตกง่ายอาจปรับปรุงประสิทธิภาพของโรงงานรีไซเคิล

Tonks ซึ่ง Eagan อธิบายว่าเป็นคู่แข่งที่เป็นมิตร ทำให้กระบวนการที่จดสิทธิบัตรของ Eagan ก้าวไปอีกขั้น ด้วยการทำให้ผลิตภัณฑ์ของ Eagan ผ่านปฏิกิริยาอีกครั้ง Tonks ทำให้โพลิเมอร์สามารถย่อยสลายได้อย่างเต็มที่กลับไปเป็น CO2 ที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งเป็นเป้าหมายของเศรษฐกิจคาร์บอนหมุนเวียน Tonks ก่อตั้งบริษัทสตาร์ทอัพในปีนี้ชื่อ LoopCO2 เพื่อผลิตพลาสติกที่ย่อยสลายได้หลากหลายประเภท

จุลินทรีย์ช่วย

นักวิจัยยังได้ควบคุมจุลินทรีย์เพื่อช่วยเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นวัสดุที่มีประโยชน์รวมถึงผ้าเครื่องแต่งกาย จุลินทรีย์ที่มีชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดในโลกบางส่วนเกิดขึ้นในเวลาที่ชั้นบรรยากาศของโลกอุดมไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

จุลินทรีย์เหล่านี้รู้จักกันในชื่ออะซิโตเจนและเมทาโนเจน พัฒนาเส้นทางการเผาผลาญอย่างง่ายที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์เพื่อเปลี่ยน CO2 และคาร์บอนมอนอกไซด์ให้เป็นโมเลกุลอินทรีย์ ในชั้นบรรยากาศ CO จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้าง CO2 ในทศวรรษที่ผ่านมา นักวิจัยได้ศึกษาศักยภาพของจุลินทรีย์ในการกำจัดก๊าซเหล่านี้ออกจากชั้นบรรยากาศและเปลี่ยนให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์

LanzaTech ซึ่งตั้งอยู่ที่เมืองสโกกี รัฐอิลลินอยส์ ใช้แบคทีเรีย Clostridium autoethanogenum ที่ทำให้เกิดอะซิโตเจนิกเพื่อเผาผลาญการปล่อย CO2 และ CO ให้เป็นสารเคมีอุตสาหกรรมหลากหลายชนิด รวมถึงเอทานอล ปีที่แล้ว บริษัทเสื้อผ้า Zara เริ่มใช้ผ้าโพลีเอสเตอร์ของ LanzaTech สำหรับชุดเดรส

เอทานอลที่ใช้สร้างผลิตภัณฑ์เหล่านี้มาจากโรงงานเชิงพาณิชย์สองแห่งของ LanzaTech ในประเทศจีน โดยแห่งแรกที่เปลี่ยน CO ของเสียซึ่งเป็นก๊าซหลักที่ปล่อยออกมาจากโรงงานเหล็กให้เป็นเอทานอล เอธานอลต้องผ่านขั้นตอนอีกสองขั้นตอนเพื่อให้ได้เป็นโพลีเอสเตอร์ LanzaTech ร่วมมือกับโรงงานเหล็กใกล้กรุงปักกิ่งและทางตอนกลางตอนเหนือของจีน โดยป้อนก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์เข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่เต็มไปด้วยจุลินทรีย์ของ LanzaTech

การผลิตเหล็กปล่อย CO2 เกือบสองตันต่อการผลิตเหล็กทุกตัน ในทางตรงกันข้าม การศึกษาประเมินวัฏจักรชีวิตพบว่ากระบวนการผลิตเอทานอลของ LanzaTech ลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกลงประมาณ 80 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับเอทานอลที่ทำจากเชื้อเพลิงฟอสซิล

ในเดือนกุมภาพันธ์ นักวิจัยจาก LanzaTech, Northwestern University ใน Evanston, Ill. และคนอื่นๆ รายงานใน Nature Biotechnology ว่าพวกเขาได้ดัดแปลงพันธุกรรมของแบคทีเรีย Clostridium เพื่อผลิตอะซิโตนและไอโซโพรพานอล ซึ่งเป็นสารเคมีอุตสาหกรรมที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลอีกสองชนิด Jennifer Holmgren ซีอีโอของบริษัทกล่าวว่าของเสียเพียงอย่างเดียวคือแบคทีเรียที่ตายแล้ว ซึ่งสามารถนำมาใช้เป็นปุ๋ยหมักหรืออาหารสัตว์ได้

นักวิจัยคนอื่นกำลังข้ามจุลินทรีย์ที่มีชีวิตและใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพียงอย่างเดียว กว่าทศวรรษที่แล้ว Charles Dismukes นักเคมีแห่ง Rutgers University ในเมือง Piscataway รัฐนิวเจอร์ซีย์ เริ่มมองหา acetogen และ methanogens เพื่อใช้คาร์บอนในชั้นบรรยากาศ เขารู้สึกทึ่งกับความสามารถในการปลดปล่อยพลังงานเมื่อสร้างบล็อกคาร์บอนจาก CO2 ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ต้องใช้พลังงาน เขาและทีมมุ่งเน้นไปที่ตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลฟอสไฟด์ของแบคทีเรีย ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบในปฏิกิริยาคาร์บอนที่ปล่อยพลังงานออกมา

Dismukes และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า 6 ตัวที่สามารถสร้างโมโนเมอร์ที่อุณหภูมิและความดันห้องโดยใช้ CO2 น้ำและไฟฟ้าเท่านั้น เส้นทางการปลดปล่อยพลังงานของตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลฟอสไฟด์ “ลดแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการดำเนินปฏิกิริยา ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานของกระบวนการและปรับปรุงรอยเท้าคาร์บอน” Karin Calvinho อดีตนักศึกษาของ Dismukes ซึ่งปัจจุบันเป็นหัวหน้าฝ่ายเทคนิคกล่าว เจ้าหน้าที่ที่ RenewCO2 ซึ่งเป็นทีมสตาร์ทอัพของ Dismukes ที่ก่อตั้งขึ้นในปี 2018

RenewCO2 วางแผนที่จะขายโมโนเมอร์ รวมถึงโมโนเอทิลีนไกลคอล ให้กับบริษัทต่างๆ ที่ต้องการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ กลุ่มได้พิสูจน์แนวคิดการทำงานโดยใช้ CO2 ที่นำเข้ามาในห้องปฏิบัติการ ในอนาคต บริษัทตั้งใจที่จะรับ CO2 จากชีวมวล การปล่อยก๊าซอุตสาหกรรม หรือการดักจับอากาศโดยตรง

ธุรกิจแบคทีเรีย

LanzaTech ดัดแปลงพันธุกรรมของแบคทีเรียเพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเอธานอลและส่วนประกอบอื่นๆ สำหรับพลาสติกและผลิตภัณฑ์อื่นๆ RenewCO2 ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีนิกเกิลซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากแบคทีเรียเพื่อทำสิ่งเดียวกัน — สลาย CO2 โดยใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยเพื่อสร้างสิ่งใหม่ๆ

อุปสรรคในการเปลี่ยนแปลง

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยและบริษัทต่าง ๆ เผชิญกับความท้าทายในการเพิ่มปริมาณการดักจับคาร์บอนและนำกลับมาใช้ใหม่ อุปสรรคบางอย่างแฝงอยู่ในภาษาของข้อบังคับที่เขียนขึ้นก่อนที่จะมี CCU ตัวอย่างคือโครงการของหน่วยงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมของสหรัฐอเมริกาในการให้เครดิตภาษีแก่บริษัทที่ผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ โปรแกรมนี้มุ่งเน้นไปที่เชื้อเพลิงจากพืช เช่น ข้าวโพดและอ้อย วิธีการผลิตเชื้อเพลิงอากาศยานของ LanzaTech ไม่มีคุณสมบัติในการขอเครดิตเนื่องจากแบคทีเรียไม่ใช่พืช

อุปสรรคอื่น ๆ เป็นพื้นฐานมากกว่า Styring ชี้ให้เห็นถึงแนวทางปฏิบัติที่มีมาอย่างยาวนานในการอุดหนุนเชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งในปี 2564 สูงถึง 440 พันล้านดอลลาร์ทั่วโลก เงินอุดหนุนจากรัฐบาลทั่วโลกสำหรับอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซทำให้ราคาเชื้อเพลิงฟอสซิลต่ำเกินจริง ทำให้พลังงานหมุนเวียนแข่งขันได้ยาก ตามรายงานของ International Energy Agency ผู้สนับสนุนของ Styring เปลี่ยนเงินอุดหนุนเหล่านั้นไปสู่พลังงานทดแทน

“เราพยายามทำงานบนหลักการที่เรารีไซเคิลคาร์บอนและสร้างเศรษฐกิจหมุนเวียน” เขากล่าว “แต่กฎหมายปัจจุบันถูกกำหนดขึ้นเพื่อยืดอายุเศรษฐกิจเชิงเส้น”

กิจวัตรยามเช้าอันแสนสุขที่ทำให้โลกสะอาดขึ้นนั้นเป็นไปได้ในทางทฤษฎี มันยังไม่ใช่วิธีการทำงานของโลก การจะไปสู่เศรษฐกิจหมุนเวียนนั้น ปริมาณคาร์บอนเหนือพื้นดินมีจำกัดและถูกควบคุมด้วยวงจรการใช้และการใช้ซ้ำที่ไม่มีวันจบสิ้น จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงในหลายด้าน นโยบายและการลงทุนของรัฐบาล แนวทางปฏิบัติขององค์กร การพัฒนาเทคโนโลยี

และพฤติกรรมของมนุษย์จะต้องสอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์และรวดเร็วเพื่อประโยชน์ของโลก

ในขณะเดียวกัน นักวิจัยยังคงทำงานเกี่ยวกับโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ต่อไป

“ฉันพยายามวางแผนสำหรับสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด” Eagan นักเคมีใน Akron กล่าว “หากไม่เคยมีกฎหมายควบคุมการปล่อยมลพิษ เราจะดำเนินการอย่างไรภายในระบบทุนนิยมของเราเพื่อสร้างมูลค่าด้วยวิธีหมุนเวียนและมีความรับผิดชอบ ท้ายที่สุดแล้ว เราต้องการเคมีใหม่”

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ ilovegkr.com