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工程师们开发了一种从空气中去除二氧化碳的新方法

科技 2019-12-18 16:17:15

一种从气流中去除二氧化碳的新方法可能成为对抗气候变化的重要工具。新的系统可以在几乎任何浓度的气体上工作,甚至可以达到目前大气中的400ppm。

从气流中去除二氧化碳的大多数方法都需要更高的浓度,比如化石燃料发电厂排放的烟道中的浓度。研究人员说,已经开发出了一些变体,可以在空气中发现的低浓度环境下工作,但这种新方法的能耗和成本要低得多。

技术,基于空气穿过一堆电化学板块,在一篇新论文中描述在《能源和环境科学》杂志上,由麻省理工学院博士后Sahag Voskian,开发工作在他的博士,t·艾伦·哈顿,拉尔夫朗道化学工程教授。

该装置本质上是一个大型的专门电池,当它充电时,从空气(或其他气体流)中吸收二氧化碳通过电极,然后在放电时释放气体。在运行中,设备将简单地交替充放电,在充放电循环中,新鲜空气或进料气体从系统中吹出,然后在放电过程中吹出纯净、浓缩的二氧化碳。

当电池充电时,在每一堆电极的表面都会发生电化学反应。它们被一种叫做聚蒽醌的化合物所覆盖,这种化合物是由碳纳米管组成的。这些电极对二氧化碳有天然的亲和力,即使在浓度很低的情况下,它们也能很容易地与空气或原料气体中的二氧化碳分子发生反应。当电池被放电时(在此过程中,设备可以提供整个系统所需的部分电力),逆反应就会发生,在此过程中,设备会喷射出一股纯二氧化碳流。整个系统在常温常压下工作。

Voskian解释说:“与大多数其他碳捕获或碳吸收技术相比,这项技术的最大优势在于吸附剂对二氧化碳的亲和力是二元的。”换句话说,根据电池的充放电状态,电极材料的性质决定了其“具有高亲和力或无亲和力”。用于碳捕获的其他反应需要中间的化学处理步骤或输入大量的能量,如热量或压差。

“这种二元亲和力允许从任何浓度的二氧化碳中捕获,包括400ppm,并允许其释放到任何载体流中,包括100%的二氧化碳,”Voskian说。也就是说,当任何气体流经这些扁平的电化学电池时,在释放的过程中,被捕获的二氧化碳也会随之被带走。例如,如果想要的最终产品是用于饮料碳酸化的纯二氧化碳,那么一股纯气体可以吹过这些盘子。被捕获的气体从板块中释放出来,并加入到气流中。

在一些软饮料装瓶厂,燃烧化石燃料来产生使饮料起泡所需的二氧化碳。类似地,一些农民在温室里燃烧天然气来产生二氧化碳来喂养他们的植物。沃斯基安说,新系统可以在这些应用中消除对化石燃料的需求,并在这个过程中直接从空气中去除温室气体。或者,将纯二氧化碳流压缩注入地下长期处理,甚至通过一系列的化学和电化学过程制成燃料。

这个系统用于捕获和释放二氧化碳的过程是“革命性的”,他说。“所有这些都是在环境条件下进行的,不需要热、压力或化学输入。只是这些非常薄的薄片,表面都是活动的,可以堆叠在一个盒子里,并连接到电源上。”

哈顿说:“在我的实验室里,我们一直在努力开发新技术,以解决一系列环境问题,这些问题避免了使用热能、改变系统压力或添加化学物质来完成分离和释放循环。”“这种二氧化碳捕获技术清楚地展示了电化学方法的力量,它只需要电压的微小波动就可以驱动分离。”

在一个工厂工作的例子,在发电厂废气在哪里产生continuously-two套这样的成堆的电化学细胞可以并排设置并行运行,烟气是第一个针对一组碳捕获,然后转移到第二组,第一组进入它的放电周期。通过前后交替,系统可以同时捕获和释放气体。在实验室中,该团队已经证明了该系统可以承受至少7000次的充放电循环,在此期间效率损失30%。研究人员估计,他们可以很容易地将其提高到2万到5万次。

电极本身可以用标准的化学处理方法制造。Voskian说,虽然现在这是在实验室环境中完成的,但它可以进行调整,最终通过类似于报纸印刷机的卷到卷的制造过程大批量生产。他表示:“我们开发出了非常划算的技术。”他估计,每平方米电极的成本大约为数十美元。

与其他现有的碳捕获技术相比,该系统的能源效率相当高,每捕获一吨二氧化碳需要消耗约10亿焦耳的能源。Voskian说,其他现有方法的能量消耗在每吨1到10千焦之间,这取决于进口二氧化碳的浓度。

他说,研究人员已经成立了一家名为Verdox的公司,将这一过程商业化,并希望在未来几年内开发出一个中试规模的工厂。他说:“如果你想要更大的容量,你只需要制造更多的电极。”

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