Органический амин поглотил 99 процентов углекислого газа

Японские химики научились собирать до 99 процентов углекислого газа из его смеси с азотом. Они использовали органический амин, который реагировал с углекислым газом с образованием нерастворимой карбаминовой кислоты. При небольшом нагревании кислота выделяла углекислый газ обратно, пишут ученые в журнале ACS Environmental Au.

Чтобы сократить количество углекислого газа в атмосфере, химики ищут способы избирательной фиксации этого газа из воздуха. Часто для этих целей они применяют органические амины. При взаимодействии с углекислым газом амины образуют гидрокарбонаты — соли угольной кислоты, которая получается при растворении углекислого газа в воде. Эти соли, как правило, хорошо растворяются в воде, и чтобы выделить из них углекислый газ обратно, раствор приходится сильно нагревать. Кроме того, из-за обратимости процесса поглощение часто оказывается неэффективным.

Но есть еще один подход, позволяющий фиксировать CO₂ более эффективно. Дело в том, что некоторые амины при взаимодействии с углекислым газом дают карбаминовые кислоты. Эти соединения плохо растворяются в воде и выпадают в осадок при пропускании углекислого газа через раствор амина. Но у них тоже есть недостаток — часто они неустойчивы и слишком легко выделяют углекислый газ обратно.

Химики под руководством Сэйдзи Ямадзоэ (Seiji Yamazoe) из Токийского столичного университета проверили несколько разных аминов и выяснили, что первичные амины, связанные с шестичленными циклами из атомов углерода, легко образуют нерастворимые карбаминовые кислоты. Они решили, что эти соединения можно применить для фиксации CO₂ из воздуха.

Химики взяли для эксперимента амин, содержащий изофороновый фрагмент. Они растворили его в диметилсульфоксиде и пробулькали через раствор смесь углекислого газа с азотом (концентрация углекислого газа — четыре десятитысячных процента). Концентрацию CO₂ на выходе химики мерили с помощью ИК-спектрометра. В начале эксперимента они обнаружили, что практически весь углекислый газ поглощается раствором. А через 2,5 часа реакции они заметили осадок карбаминовой кислоты. Через 21 час поглощение газа полностью прекратилось.

Далее химики повторили эксперимент, но в этот раз они использовали смесь газов с одной третью CO₂ в ее составе. В этом случае доля поглощенного CO₂ была ниже, но первые несколько минут эксперимента она превышала 90 процентов. Авторы статьи подчеркивают, что этот результат показывает превосходство их амина над этаноламином — одним из лучших на сегодняшний день поглотителей CO₂.

Удостоверившись, что поглощение происходит эффективно, ученые решили проверить, можно ли выделить углекислый газ из карбаминовой кислоты обратно. Они провели термогравиметрическое исследование и выяснили, что весь поглощенный CO₂ выделяется при нагревании кислоты до 60 градусов Цельсия. Так химики показали, что поглощенный углекислый газ можно при желании выделить обратно.

Далее химики провели пять последовательных экспериментов, в которых они сначала пробулькивали CO₂ через раствор амина, а затем нагревали карбаминовую кислоту до полного выделения поглощенного газа. В результате они выяснили, что эффективность поглощения газа не падает при многократном использовании их амина.

Так химики предложили одну из самых эффективных на сегодняшний день методик поглощения CO₂ из воздуха. Эффективность поглощения достигла 99 процентов при атмосферной концентрации CO₂, а скорость поглощения составила 201 миллимоль газа в час.

Собранный из атмосферы углекислый газ можно применять в некоторых химических реакциях. Например, недавно мы рассказывали, как CO₂ может ускорять реакции синтеза амидов.

Михаил Бойм