Balancing the Future by Capturing the Past and Present: Design and Construction of a Direct Air Capture System based on Membrane and Absorption Technologies

Abstract

L'any 2024, les temperatures de la superfície del planeta van superar per primera vegada a la història el llindar d’1,5 ° C per sobre dels nivells preindustrials, ressaltant la urgència d'assolir emissions netes nul·les de CO2. La captura directa de l'aire (DAC) s'ha identificat com una tecnologia prometedora per a l'eliminació del diòxid de carboni (CDR) i la mitigació del canvi climàtic, alhora que ofereix beneficis per a la qualitat de l'aire interior. No obstant això, malgrat els alts nivells de CO2 a l'atmosfera, la DAC afronta desafiaments importants a causa de la baixa concentració de CO2 a l'aire en comparació amb altres mètodes de captura. Aquesta investigació doctoral, desenvolupada dins del projecte CaptaCO2, se centra en el disseny i la construcció d'un dispositiu compacte i energèticament eficient per a la captura de CO2 ambiental basat en contactors de membrana. El sistema empra una membrana de polisulfona modificada que permet el pas del CO2 a través dels seus porus, facilitant-ne l'absorció en una solució selectiva amb anhidrasa carbònica, un enzim que catalitza la seva conversió en bicarbonat. El bicarbonat sòlid resultant es pot recollir i reutilitzar, proporcionant una via sostenible per a la captura i la utilització del CO2. Dins del marc industrial d'aquesta investigació, l'estudi prioritza la viabilitat comercial. Per això, optimitza la fabricació i el rendiment de les membranes i de la solució absorbent, a més de validar l'eficiència de captura del sistema.

En 2024, las temperaturas de la superficie del planeta superaron por primera vez en la historia el umbral de 1,5 °C sobre los niveles preindustriales, resaltando la urgencia de alcanzar emisiones netas nulas de CO2. La captura directa de aire (DAC) se ha identificado como una tecnología prometedora para la eliminación de dióxido de carbono (CDR) y la mitigación del cambio climático, al tiempo que ofrece beneficios para la calidad del aire interior. Sin embargo, a pesar de los altos niveles de CO2 en la atmosfera, la DAC enfrenta importantes desafíos debido a la baja concentración de CO2 en el aire en comparación con otros métodos de captura. Esta investigación doctoral, desarrollada dentro del proyecto CaptaCO2, se centra en el diseño y la construcción de un dispositivo compacto y energéticamente eficiente para la captura de CO2 ambiental basado en contactores de membrana. El sistema emplea una membrana de polisulfona modificada que permite el paso de CO2 a través de sus poros, facilitando su absorción en una solución selectiva con anhidrasa carbónica, una enzima que cataliza su conversión en bicarbonato. El bicarbonato sólido resultante se puede recolectar y reutilizar, proporcionando una vía sostenible para la captura y utilización del CO2. Dado el marco industrial de esta investigación, el estudio prioriza la viabilidad comercial.

In 2024, global surface temperatures exceeded the 1.5°C threshold relative to preindustrial levels for the first time, highlighting the urgency of achieving net-zero CO2 emissions. Direct Air Capture (DAC) has been identified as a promising Carbon Dioxide Removal (CDR) technology for climate mitigation, while also offering benefits for indoor air quality improvement. However, despite atmospheric CO2 being considered extremely elevated, DAC faces significant challenges due to the low concentration of CO2 in the air compared to other capture methods. This doctoral research, conducted within the CaptaCO2 project, focuses on the design and construction of a compact and energy-efficient ambient CO2 capture device based on membrane contactor technology. The system employs a functionally modified polysulfone membrane that allows CO2 to pass through its pores, facilitating its absorption into a selective solution containing carbonic anhydrase, an enzyme that catalyses its conversion into bicarbonate. The resulting solid bicarbonate can be collected and reused, providing a sustainable pathway for CO2 capture and utilization. Given the industrial framework of this research, the study prioritizes commercial viability. To achieve this, it optimizes the manufacturing and performance of the membranes and the absorbent solution, as well as validating the system's CO2 capture efficiency.