Dr. Koók László: A membrántechnológia és a CO2 befogás

https://youtu.be/ksaEdOzYh30?si=-UCLScUH8EWzthsL

A membrántechnológia és a CO2 befogás

Koók László, a Biomérnöki, membrántechnológiai és energetikai kutatócsoport tagjával készült Podcast leirata.

A membrántechnológia egy nagyon dinamikusan fejlődő, modern vegyészmérnöki elválasztástudományi eljárás. A membrántechnológiában olyan funkcionális anyagok alkalmaznak és készítenek belőle egy vékony réteget, egy úgynevezett membránt, amik képesek arra, hogy bizonyos komponenseket egy elegyből szelektíven átengedjenek, bizonyos komponenseket pedig képesek visszatartani. Ez a tulajdonságuk lehetőséget biztosít arra, hogy szelektív elválasztást végezzünk. Ez az elválasztás az elválasztandó komponensek mérete alapján is történhet, amire jó példa a membránszűrés.

A membrántechnológia felhasználható valamilyen elegynek a szeparációjára, amelyhez mindig szükség van egy hajtóerőre. Ez a hajtóerő nem kizárólag, de az esetek döntő többségében valamilyen nyomáskülönbség lehet, valamilyen koncentráció különbség, esetleg hőmérséklet különbség. A membrántechnológia mindig nagyon energiahatékony, alacsony energiaköltségek mellett üzemeltethető, és működéstechnikai szempontból egy nagyon egyszerű rendszer, ami nagy jelentőséggel bír az ipari felhasználás számára. Ebben az esetben membránmodulok kialakítása zajlik. Egy vagy több ilyen membránmodul szerepel a technológiában, és itt az anyagmozgatáson túl nem bonyolódik a technológia, nincsenek külön mozgó alkatrészek, a membrán anyagi tulajdonságai, illetve a hajtóerő és az elválasztandó elegynek a tulajdonságai határozzák meg a folyamatot. 

A membrántechnológia egyik iparilag is legfontosabb alkalmazása a gázszeparáció, ami kapcsolódik a szén-dioxid-befogás témaköréhez, mely alapvetően az üvegházhatás miatt jelentős. Mivel a modern civilizáció szén-dioxid kibocsátása igen magas, ennek nagy aránya az erőművi-, ipari folyamatok, a közlekedés által értelmezhető kibocsátás, mely végső soron a klímaváltozás egyik fő okozója. Felmerül a kérdés, hogy be tudjuk-e fogni ezt a szén-dioxidot, amit kibocsátunk, illetve emellett tudunk-e olyan technológiát csinálni, ahol a befogás nem is szükséges, hanem mondjuk nem keletkezik, vagy sokkal kevesebb szén-dioxid keletkezik.

A membrántechnológia elsődleges célja, hogy egy szén-dioxidot is tartalmazó gázelegyből szén-dioxidot szeparáljon, amelyet a technológiával meg lehet fogni. További cél, hogy a légkörbe való kibocsátást elkerülő felhasználást biztosítsunk a szén-dioxidnak. A membrántechnológia akkor lehet hatékony, ahol a szén-dioxidnak az úgynevezett parciális nyomása ebben a kezelendő gázkeverékben magas. A membrántechnológia jelenleg ott áll, hogy nagyon jól illeszkedik a szén-dioxid-kibocsátási problémákhoz, és jól tudják ezeket kezelni. Ez a technológia jelenleg dinamikusan fejlődik, ipari alkalmazástechnikai fejlesztések futnak, és ezzel párhuzamosan membránanyag fejlesztések is történnek.

A biomérnöki, membrántechnológiai és energetikai kutatócsoport különböző tématerületekre fókuszál. Tevékenységük egyik célja a Magyarországon több helyen is található, szén-dioxidban dúsabb, alacsonyabb fűtőértékű földgázforrásnak a javítása. A folyamat során a szén-dioxidot el kell választani az alacsony fűtőértékű földgázból és így egy magasabb fűtőértékű termék keletkezik. Ennek megvalósítására már fut egy sikeres projekt különböző ipari partnerekkel, melynek keretében olyan membrántechnikai eljárás folyik, ahol ez az alacsony fűtőértékű földgáz rákerül a rendszerre. Két fázis keletkezik, az egyik, ami átmegy a membránon, illetve a másik, amit a membrán visszatart. Az egyik fázis az a fűtőértéknövelt földgáz, ami rátáplálható a földgázhálózatra. A másik a rendszeroptimalizálásnak köszönhetően hasznosítható metán, több szén-dioxidot tartalmazó gázelegy, aminek elegendő fűtőértéke van ahhoz, hogy például egy ipari telephelyen egy gázmotort meghajtson.

A kutatócsoport egyik fő tevékenysége az úgynevezett fermentációs folyamatok elvégzése és ezek optimalizálása. Ezek a fermentációs folyamatok tulajdonképpen mikrobák által vezérelt metabolikus folyamatok, átalakítási folyamatok, ahol valamilyen alapanyagot, például egy egyszerű cukrot alakítunk át. A modern fermentációs technológiában komplexebb alapanyagok átalakítására fókuszálnak, tehát például szennyvíz, különböző szervesanyag tartalmú hulladékok, tehát egy melléktermék vagy hulladéknak a hasznosítása történik, és valamilyen célterméket szeretnének előállítani. Az egyik legrobosztusabb technológia ezekből a szennyvíztisztítás. A szennyvíztisztítás során beiktatható egy olyan folyamat, amelyet biogáz fermentációnak hívunk, ahol oxigéntől elzárva a szennyvízben található mikrobák szerves anyagok bontása során metánt és széndioxidot állítanak elő, amit megint csak felhasználhatunk üzemanyagként. Felmerül a kérdés, hogy megvalósíthatók-e olyan technológiák, ahol a keletkező szén-dioxid valahogy megfogható a rendszerben, vagy újrahasznosítható, vagy eltárolható valamilyen formában. 

A biogáz fermentáció keretében a kutatócsoport azzal is foglalkozik, hogy a keletkező szén-dioxidot megfogja és felhasználja a rendszerben. Magát a fermentációs folyamatokat és a reaktorokat is membrántechnológiával integrálják. Ez végső soron egy olyan technológiát eredményez, ahol nemcsak megfogjuk a szén-dioxidot és elvesszük valamilyen tisztaságban, hanem fel tudjuk használni egy másik részfolyamatban. A fermentációs folyamatokban keletkező hidrogén szén-dioxid keverékből a hidrogén tisztításával szén-dioxid nyerhető. Ez a szén-dioxid újrahasznosítható egy olyan reaktorban, amiben algák vannak, amelyek a szén-dioxidot nagy hatékonysággal tudják hasznosítani és ez végeredményben alga növekvést, úgynevezett biomasszát generál. Emellett az alga nagyon sok mindenre használható, sokféle értékes komponens nyerhető ki belőle. A visszamaradó hulladék biomasszát, ami még mindig magas szerves anyag tartalmú, vissza lehet forgatni a hidrogéntermelő rendszerbe, ezáltal egy szén-dioxid integrációt, körkörös folyamatot tudtunk generálni a rendszerben. 

Összességében a membrántechnológia a szén-dioxid problémával így kapcsolódik egybe, s ezt a kutatást segíti a Nemzeti Labor projekt, amiből az egyik az éghajlatváltozás témakörét érinti, ahol nyilvánvaló szerepe van a szén-dioxidnak és a membrántechnológiának, a másik – a TKP projekt - a megújuló energiákra fókuszál.

Az interjút és az összefoglalót készítette: Imre Nóra