कार्बन कैप्चर और उपयोग

कार्बन कैप्चर एंड यूटिलाइजेशन (सीसीयू) औद्योगिक प्रक्रियाओं से कार्बन डाईऑक्साइड (CO2) को कैप्चर करने और इसे पाइपलाइनों के माध्यम से उस स्थान पर अभिगमन करने की प्रक्रिया है जहां कोई इसे औद्योगिक प्रक्रियाओं में उपयोग करना चाहता है।

कैप्चर किए गए CO2 को कई उत्पादों में परिवर्तित किया जा सकता है: एक समूह अल्कोहल है, जैसे मेथनॉल, जिसका उपयोग ईंधन और ऊर्जा के अन्य वैकल्पिक और नवीकरणीय स्रोतों के रूप में किया जाता है। अन्य वाणिज्यिक उत्पादों में प्लास्टिक, कंक्रीट और विभिन्न रासायनिक संश्लेषण के लिए अभिकारक शामिल हैं।

एकल उत्पाद के संबंध में, सीसीयू के परिणामस्वरूप वातावरण में शुद्ध कार्बन धनात्मक नहीं होता है। यदि, इसके अलावा, यह उत्पाद जीवाश्म मूल में से किसी एक को प्रतिस्थापित करता है तो समग्र CO2 उत्सर्जन में कमी आती है।

सीसीयू कार्बन कैप्चर और स्टोरेज (सीसीएस) से इस मायने में भिन्न है कि सीसीयू का लक्ष्य या परिणाम कार्बन डाइऑक्साइड का स्थायी भूवैज्ञानिक भंडारण नहीं है। इसके बजाय, सीसीयू का लक्ष्य कैप्चर किए गए कार्बन डाइऑक्साइड को अधिक मूल्यवान पदार्थों या उत्पादों में परिवर्तित करना है; जैसे प्लास्टिक, कंक्रीट या विद्युत ईंधन ; उत्पादन प्रक्रियाओं की कार्बन तटस्थता को बनाए रखते हुए।

सीसीयू और सीसीएस पर कभी-कभी सामूहिक रूप से कार्बन कैप्चर, उपयोग और पृथक्करण (सीसीयूएस) के रूप में चर्चा की जाती है।

कैप्चर किए गए CO2 कई उत्पादों में परिवर्तित किया जा सकता है: एक समूह अल्कोहल (रसायन) है, जैसे मेथनॉल, जिसका उपयोग ईंधन और अन्य कार्बन-तटस्थ ईंधन के रूप में किया जाता है। अन्य वाणिज्यिक उत्पादों में प्लास्टिक, कंक्रीट और विभिन्न रासायनिक संश्लेषण के लिए अभिकारक शामिल हैं।

कई अतिरिक्त बातों को भी ध्यान में रखना होगा। चूंकि CO2 कार्बन का थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर रूप है, इसलिए इससे उत्पाद बनाना ऊर्जा गहन है। सीसीयू में संनिवेशन करने से पहले उत्पाद बनाने के लिए अन्य कच्चे माल की उपलब्धता पर भी विचार किया जाना चाहिए।

कैप्चर और उपयोग के लिए विभिन्न संभावित विकल्पों पर विचार करते हुए, शोध से पता चलता है कि जिनमें रसायन, ईंधन और सूक्ष्म शैवाल शामिल हैं उनमें हटाने की सीमित क्षमता है, जबकि जो निर्माण सामग्री और कृषि उपयोग में शामिल हैं वे अधिक प्रभावी हो सकते हैं।

सीसीयू की लाभप्रदता आंशिक रूप से वायुमंडल में छोड़े जा रहे CO2 की कार्बन कीमत पर निर्भर करती है। कार्बन कैप्चर और उपयोग प्रमुख स्थिर (औद्योगिक) उत्सर्जकों से ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को महत्वपूर्ण रूप से कम करने की वैश्विक चुनौती पर प्रतिक्रिया दे सकता है।

कार्बन के स्रोत
CO2 आमतौर पर भारी उद्योग जैसे पेट्रोकेमिकल संयंत्रों में निश्चित बिंदु स्रोतों से कैप्चर किया जाता है। इन निकास धारा से कैप्चर CO2 की सांद्रता अलग-अलग होती है। एक सामान्य कोयला बिजली संयंत्र की ग्रिप गैस निकास धारा में10-12% CO2 सांद्रता होती है। एक जैव ईंधन रिफाइनरी पानी और इथेनॉल जैसी थोड़ी मात्रा में अशुद्धियों के साथ CO2 की उच्च शुद्धता (99%) का उत्पादन करती है।

पृथक्करण प्रक्रिया स्वयं अवशोषण (रसायन विज्ञान), अधिशोषण, या झिल्ली जैसी पृथक्करण प्रक्रियाओं के माध्यम से की जा सकती है।

सीसीयू प्रक्रिया में कैप्चर के अन्य संभावित स्रोत में वृक्षारोपण का उपयोग शामिल है। यह विचार कीलिंग कर्व में अवलोकन से उत्पन्न हुआ है वायुमंडल में CO2 का स्तर लगभग 5 पीपीएम (प्रति मिलियन भाग) की वार्षिक भिन्नता से गुजरता है, जिसका श्रेय वनस्पति के मौसमी परिवर्तन और उत्तरी और दक्षिणी गोलार्ध के बीच भूमि द्रव्यमान में अंतर को दिया जाता है। हालाँकि, पौधों द्वारा अवशोषित CO2 पौधों के मरने पर वायुमंडल में वापस आ जाएगी। इस प्रकार, इसकी तीव्र वृद्धि और उच्च कार्बन कैप्चर दर को देखते हुए, C4 कार्बन स्थिरीकरण के साथ फसलें लगाने का प्रस्ताव है, और फिर जैव चारकोल जैसे अनुप्रयोगों के लिए जैव ईंधन को संसाधित करने का प्रस्ताव है जिसे मिट्टी में स्थायी रूप से संग्रहीत किया जाएगा।

CO2 विद्युतपघटन
विभिन्न प्रकार के मूल्यवर्धित उत्पादों के लिए CO2 विद्युतीकरण कई वर्षों से विकासाधीन है। कुछ प्रमुख लक्ष्य फॉर्मेट, ऑक्सालेट और मेथनॉल हैं, क्योंकि CO2 से इन उत्पादों का विद्युत रासायनिक निर्माण एक बहुत ही पर्यावरणीय रूप से टिकाऊ अभ्यास होगा। उदाहरण के लिए, CO2 को जलीय उत्प्रेरण प्रक्रिया में इसे पकड़कर कार्बन-तटस्थ ईंधन में परिवर्तित किया जा सकता है। इस तरह से CO2 को सीधे इथेनॉल में परिवर्तित करना संभव है, जिसे बाद में पेट्रोल और जेट ईंधन में उन्नयन किया जा सकता है।

कार्बन-तटस्थ ईंधन
मुख्य हाइड्रोकार्बन स्रोत के रूप में वायुमंडल से कैप्चर CO2 का उपयोग करके कार्बन-तटस्थ ईंधन को संश्लेषित किया जा सकता है। फिर ईंधन का दहन किया जाता है और CO2 दहन प्रक्रिया के उपोत्पाद के रूप में, वापस हवा में छोड़ दिया जाता है। इस प्रक्रिया में, वायुमंडल से कोई शुद्ध कार्बन डाइऑक्साइड जारी या हटाया नहीं जाता है, इसलिए इसे कार्बन-तटस्थ ईंधन कहा जाता है।

मेथनॉल ईंधन
हाइड्रोकार्बन का उत्पादन करने की सिद्ध प्रक्रिया मेथनॉल बनाना है। परंपरागत रूप से, मेथनॉल का उत्पादन प्राकृतिक गैस से किया जाता है। मेथनॉल को और H2 से आसानी से संश्लेषित किया जाता है। इसी तथ्य के आधार पर मेथनॉल अर्थव्यवस्था का विचार जन्मा है।

मेथनॉल, या मिथाइल अल्कोहल, CH3OH के रासायनिक सूत्र के साथ अल्कोहल कार्बनिक यौगिक के वर्ग का सबसे सरल सदस्य है। नवीकरणीय ऊर्जा के साथ उत्पादन करते समय एकत्रित कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करके मेथनॉल ईंधन का निर्माण किया जा सकता है। नतीजतन, कार्बन-तटस्थ स्थिरता कैप्चर करने के लिए बिजली उत्पादन में मेथनॉल ईंधन को जीवाश्म ईंधन के विकल्प के रूप में माना गया है। कार्बन डाइऑक्साइड से मेथनॉल का संश्लेषण उत्प्रेरक की उपस्थिति में हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रिया के माध्यम से किया जाता है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले उत्प्रेरक तांबा, जस्ता और पैलेडियम हैं। ये प्रतिक्रियाएं आम तौर पर ले चैटेलियर के सिद्धांत के माध्यम से मेथनॉल उत्पाद की ओर प्रतिक्रिया संतुलन रसायन शास्त्र को स्थानांतरित करने के लिए उच्च दबाव स्थितियों की स्थिति में की जाती हैं। कार्बन रीसाइक्लिंग इंटरनेशनल, आइसलैंड के ग्रिंडाविक में उत्पादन सुविधा वाली कंपनी, वर्तमान 4,000 टन/वर्ष उत्पादन क्षमता के साथ उत्सर्जन-से-तरल नवीकरणीय उच्च ऑक्टेन मेथनॉल ईंधन का विपणन करती है।

डाइमिथाइल ईथर

डाइमिथाइल ईथर ने डीजल ईंधन के संभावित विकल्प के रूप में कार्बन तटस्थ ईंधन के रूप में विश्वास दिलाया है। डाइमिथाइल ईथर को आमतौर पर अम्ल उत्प्रेरक की उपस्थिति में मेथनॉल की निर्जलीकरण प्रतिक्रिया से संश्लेषित किया जाता है, लेकिन शोधकर्ताओं ने हाल ही में द्वि-कार्यात्मक उत्प्रेरक और सिनगैस से मेथनॉल के संश्लेषण के लिए समान स्थितियों का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड को डाइमिथाइल ईथर में परिवर्तित करने के लिए एक कदम विधि विकसित की है।

रासायनिक संश्लेषण
अत्यधिक वांछनीय C1 (एक-कार्बन) रासायनिक फीडस्टॉक के रूप में, पहले से कैप्चर CO2 को विभिन्न प्रकार के उत्पादों में परिवर्तित किया जा सकता है। इनमें से कुछ उत्पादों में शामिल हैं: पॉलीकार्बोनेट (जिंक आधारित उत्प्रेरक के माध्यम से) या अन्य कार्बनिक उत्पाद जैसे एसिटिक एसिड, यूरिया, और पॉलीविनाइल क्लोराइड (पीवीसी)। वर्तमान में 75% (112 मिलियन टन) यूरिया उत्पादन, 2% (2 मिलियन टन) मेथनॉल उत्पादन, 43% (30 हजार टन) सैलिसिलिक एसिड उत्पादन, और 50% (40 हजार टन) साइक्लिक कार्बोनेट उत्पादन CO2 का उपयोग फीडस्टॉक के रूप मे करते हैं। रासायनिक संश्लेषण CO2 का स्थायी भंडारण/उपयोग नहीं है, क्योंकि एलिफैटिक यौगिक (सीधी श्रृंखला) यौगिक 6 महीने के प्रारंभ में ही CO2 को नष्ट करके वायुमंडल में वापस छोड़ सकते हैं। जैसे-जैसे जीवाश्म ईंधन का उपयोग कम हो रहा है, हवा से कार्बन डाइऑक्साइड को हटाने को वायुमंडल में ग्रीनहाउस गैसों के दीर्घकालिक संचय को रोकने के तरीके के रूप में देखा जा रहा है। कार्बन उत्सर्जन और भंडारण के साथ-साथ जीवाश्म ईंधन के उपयोग में कमी को "निषेधात्मक उत्सर्जन" के रूप में जाना जाता है।

कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग सेल के बिना स्टार्च को संश्लेषित करने के लिए कीमोएंजाइमेटिक प्रक्रियाओं में भी किया जा सकता है। प्रकृति में स्टार्च को आमतौर पर प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से कार्बन डाइऑक्साइड से सेल के भीतर संश्लेषित किया जाता है। सेल-मुक्त संश्लेषण में, कार्बन डाइऑक्साइड को अकार्बनिक उत्प्रेरक के साथ मेथनॉल में कम किया जाता है; फिर मेथनॉल को तीन कार्बन चीनी इकाइयों में परिवर्तित किया जाता है। तीन कार्बन चीनी इकाइयों को छह कार्बन शुगर इकाइयों में परिवर्तित किया जाएगा और अंत में स्टार्च में बहुलकित किया जाएगा। प्रकाश संश्लेषण की तुलना में, जिसमें साठ जैव रासायनिक प्रतिक्रियाएं शामिल होती हैं, सेल-मुक्त संश्लेषण के लिए ग्यारह चरणों की आवश्यकता होती है। इसका मतलब है कि सेल-मुक्त संश्लेषण प्रकाश संश्लेषण से तेज़ हो सकता है। संश्लेषण दर धान्य स्टार्च की तुलना में 8.5 गुना है, और कार्बन डाइऑक्साइड की अवशोषण दर पौधों की तुलना में अधिक कुशल है। यह पद्धति अभी भी विकसित हो रही है, और इस विषय पर पहला प्रकाशन केवल 2021 में हुआ था, इसलिए अभी भी कुछ समस्याएं हैं। सबसे पहले, इस विधि के लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता होती है, जैसे पौधों को सूर्य के प्रकाश की आवश्यकता होती है। यदि उपयोग की जाने वाली बिजली का उत्पादन साफ-सुथरा नहीं किया जाता है, तो भी बड़े पैमाने पर कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन होगा। इसके अलावा, उच्च लागत व्यावसायीकरण में बाधा उत्पन्न करती है।

2023 में, सिडनी विश्वविद्यालय और टोरंटो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की अंतरराष्ट्रीय टीम ने उत्सर्जन स्रोतों से या सीधे हवा से कैप्चर CO2 के रूपांतरण के लिए नई अम्ल-आधारित विद्युत रासायनिक प्रक्रिया विकसित की है।

उन्नत तेल या गैस रिकवरी
ईओआर में, कुओं द्वारा निकाले जाने वाले तेल की मात्रा को बढ़ाने के लक्ष्य के साथ कैप्चर CO2 को ख़त्म हो चुके तेल क्षेत्रों में अन्तःक्षेप किया जाता है। यह विधि तेल उत्पादन को 5-40% तक बढ़ाने में सिद्ध है।[

उन्नत गैस रिकवरी (ईजीआर)
उन्नत गैस रिकवरी (सीएसईजीआर) के साथ कार्बन पृथक्करण एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें CO2 गैस भंडार में गहराई तक अन्तःक्षेप किया जाता है और परिणामस्वरूप, कुछ दूरी पर स्थित गैस कुओं पर, मीथेन (CH)4) उत्पादन किया जाता है। CO2 के सक्रिय अन्तःक्षेपन द्वारा यह प्रक्रिया दबाव और मीथेन विस्थापन का कारण बनती है, जिससे जल-अभियान या ह्रास-अभियान संचालन की तुलना में गैस रिकवरी बढ़ जाती है।

कार्बन खनिजीकरण
ग्रिप गैस जैसे स्रोतों से कार्बन डाइऑक्साइड को स्थिर ठोस कार्बोनेट बनाने के लिए मैग्नीशियम ऑक्साइड और कैल्शियम ऑक्साइड जैसे खनिजों के साथ प्रतिक्रिया की जाती है। इन खनिजों का खनन किया जा सकता है, या मौजूदा लवण जल और अपशिष्ट औद्योगिक खनिजों (लावा सहित) का पुन: उपयोग किया जा सकता है। उत्पादित कार्बोनेट का उपयोग निर्माण, उपभोक्ता उत्पादों और कार्बन कैप्चर और अधिग्रहण (सीसीएस) के विकल्प के रूप में किया जा सकता है।

प्रत्येक 3.7 टन खनिज कार्बोनेट के उत्पादन के लिए इसे हवा से लगभग 1 टन CO2 हटा दिया जाता है।

सूक्ष्म शैवाल से जैव ईंधन
एक अध्ययन में सुझाव दिया गया है कि सूक्ष्म शैवाल का उपयोग ऊर्जा के वैकल्पिक स्रोत के रूप में किया जा सकता है। सूक्ष्म शैवाल के एक तालाब को ग्रिप गैस जैसे कार्बन डाइऑक्साइड के स्रोत से खिलाया जाता है, और फिर सूक्ष्म शैवाल को फैलने की अनुमति दी जाती है। फिर शैवाल की कटाई की जाती है और कैप्चर जैव ईंधन को जैव ईंधन में बदल दिया जाता है। लगभग 1.8 टन CO2 उत्पादित प्रति 1 टन शुष्क शैवाल जैव ईंधन को हवा से हटाया जा सकता है, हालाँकि यह संख्या वास्तव में प्रजातियों के आधार पर भिन्न होती है। सह2 कैप्चर किए गए को अस्थायी रूप से संग्रहीत किया जाएगा क्योंकि उत्पादित जैव ईंधन का दहन किया जाएगा और CO2 वापस हवा में छोड़ दिया जाएगा. हालाँकि, CO2 जारी किए गए पदार्थ को पहले वायुमंडल से पकड़ लिया गया और इसे वापस हवा में छोड़ने से ईंधन कार्बन-तटस्थ ईंधन बन जाता है। माइक्रोएल्गे जैव ईंधन को तीसरी पीढ़ी के जैव ईंधन का हिस्सा माना जाता है, जो पहली और दूसरी पीढ़ी के जैव ईंधन के साथ होने वाले नुकसान के बिना जीवाश्म ईंधन के लिए एक वैकल्पिक ऊर्जा स्रोत है। यह तकनीक अभी परिपक्व नहीं है. वर्तमान माइक्रोएल्गल कल्चर सिस्टम को उच्च थ्रूपुट जैव ईंधन वृद्धि और कार्बन कैप्चर के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है। बड़े पैमाने पर माइक्रोएल्गल खेती के लिए रेसवे, उच्च दर वाले शैवाल तालाब और फोटोबायोरिएक्टर का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। इन प्रणालियों की सीमाएँ माइक्रोएल्गल विकास आवश्यकताओं से संबंधित हैं। पर्याप्त प्रकाश वितरण सुनिश्चित करने के लिए तालाबों को कम गहराई पर संचालित किया जाता है और इसलिए बड़ी भूमि की सतह की आवश्यकता होती है।

कृषि
एक दृष्टिकोण जिसे जलवायु परिवर्तन शमन प्रयास के रूप में भी प्रस्तावित किया गया है वह है पौधे-आधारित कार्बन कैप्चर करना। परिणामी जैव ईंधन का उपयोग जैव ईंधन के लिए किया जा सकता है, जबकि जैव चारकोल उपोत्पाद का उपयोग मिट्टी-वर्धक के रूप में कृषि में अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। कूल प्लैनेट कैमारिलो, कैलिफ़ोर्निया में एक अनुसंधान एवं विकास संयंत्र वाली एक निजी कंपनी है, जिसने कृषि अनुप्रयोगों के लिए जैव चारकोल का विकास किया है और दावा किया है कि उनका उत्पाद फसलों की उपज को 12.3% और तीन गुना रिटर्न बढ़ा सकता है। मृदा स्वास्थ्य और पोषक तत्व बनाए रखने में सुधार के माध्यम से निवेश। हालाँकि, जलवायु परिवर्तन शमन के लिए पौधे-आधारित कार्बन कैप्चर की प्रभावकारिता पर दावों को उचित मात्रा में संदेह कैप्चर हुआ है।

पर्यावरणीय प्रभाव
पारंपरिक सीसीएस के खिलाफ चार मुख्य सीसीयू प्रौद्योगिकियों के प्रभावों का आकलन करने के लिए 16 जीवन चक्र पर्यावरणीय प्रभाव विश्लेषण किए गए हैं: रासायनिक संश्लेषण, कार्बन खनिजकरण, बायोडीजल उत्पादन, साथ ही उन्नत तेल रिकवरी (ईओआर)। इन प्रौद्योगिकियों का मूल्यांकन 10 जीवन-चक्र मूल्यांकन (एलसीए) प्रभावों के आधार पर किया गया था जैसे: अम्लीकरण क्षमता, यूट्रोफिकेशन क्षमता, ग्लोबल वार्मिंग क्षमता और ओजोन रिक्तीकरण क्षमता। 16 अलग-अलग मॉडलों से निष्कर्ष यह निकला कि रासायनिक संश्लेषण में सबसे अधिक ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (सीसीएस की तुलना में 216 गुना) है, जबकि उन्नत तेल रिकवरी में सबसे कम ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (सीसीएस की 1.8 गुना) है।

जीवन-चक्र मूल्यांकन (एलसीए) को मानकीकृत नहीं किया गया है क्योंकि उन्हें करने वाले अध्ययन विभिन्न मूल्यांकन पद्धतियों और पैरामीटर का उपयोग करते हैं जो एलसीए के परिणामों को बदलते हैं। विभिन्न सीसीयू प्रौद्योगिकियों के प्रभाव को बेहतर ढंग से मापने और तुलना करने के लिए उन्नत कार्यप्रणाली दिशानिर्देश और अभ्यास का मानकीकरण आवश्यक है।

यह भी देखें

 * कार्बन को पकड़ने और भंडारण
 * कार्बन तटस्थ ईंधन
 * कार्बन पृथक्करण
 * जलवायु परिवर्तन शमन
 * ग्रीनहाउस गैस हटाना
 * ऊर्जा विषयों की सूची
 * निम्न-कार्बन अर्थव्यवस्था
 * सोलर फूड्स लिमिटेड

अग्रिम पठन

 * New route to carbon-neutral fuels from carbon dioxide discovered by Stanford-DTU team
 * New route to carbon-neutral fuels from carbon dioxide discovered by Stanford-DTU team
 * New route to carbon-neutral fuels from carbon dioxide discovered by Stanford-DTU team