化學(xué)家們展示了從空氣中捕獲二氧化碳的可持續(xù)方法

能源部橡樹嶺國家實驗室的化學(xué)家們展示了一種直接從空氣中捕獲二氧化碳(CO2)的實用，節(jié)能方法。他們在Nature Energy上報道他們的發(fā)現(xiàn)。如果大規(guī)模部署并與地質(zhì)封存相結(jié)合，該技術(shù)可能會加強對全球氣候變化的響應(yīng)組合。

“負(fù)面排放技術(shù) - 用于凈化大氣中的溫室氣體 - 現(xiàn)在被認(rèn)為是穩(wěn)定氣候所必需的，”ORNL的Radu Custelcean說，他構(gòu)思并領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。這一觀點與國家科學(xué)院最近的一份報告的結(jié)論相呼應(yīng)。“我們的直接空氣捕獲方法為能源可持續(xù)的負(fù)排放技術(shù)提供了基礎(chǔ)，”他補充說。

該成就建立在化學(xué)家去年進(jìn)行的原理驗證研究的基礎(chǔ)上，該研究通過雙循環(huán)過程得到改善，該過程大大提高了CO2吸收的速度和容量，并完全回收了氨基酸吸附劑和胍化合物。

從源頭上減少二氧化碳排放比從大氣中回收二氧化碳排放更便宜，更容易。無論如何，現(xiàn)在認(rèn)為必須大規(guī)模部署諸如直接空氣捕獲二氧化碳的技術(shù)，以將全球平均溫度的上升限制在2攝氏度(~4華氏度)。

限制升溫到2攝氏度需要從大氣中汲取數(shù)十億噸或千兆噸的二氧化碳。原則上，樹木可以做到。然而，要以這種規(guī)模捕獲二氧化碳，“你需要在印度大小的表面上種植樹木，”Custelcean說。共同作者尼爾·威廉姆斯說，每年用工業(yè)洗滌器捕獲一噸二氧化碳需要大約7,000平方公里(約2,700平方英里)，比夏威夷大島要小。

對于最近的ORNL研究，Williams和FlavienBrethomé將氨基酸與水混合制成水性吸附劑以從空氣中吸收二氧化碳。氨基酸比氫氧化鈉或氫氧化鉀或臭胺更安全，這是工業(yè)二氧化碳洗滌器中使用的吸附劑。

科學(xué)家們將他們的水性吸附劑放在家用加濕器中，以最大限度地增加空氣和吸附劑之間的接觸，從而加速吸收二氧化碳。一旦被吸收到液體中，CO 2形成碳酸氫鹽。

同事Charles Seipp設(shè)計并合成了一種含有胍的有機化合物，這種化合物在蛋白質(zhì)中常見，可以結(jié)合帶負(fù)電荷的離子。Williams和Brethomé將Seipp的胍化合物添加到含有碳酸氫鹽的負(fù)載氨基酸吸附劑溶液中，產(chǎn)生不溶性碳酸鹽，從溶液中沉淀出來并再生氨基酸吸附劑，可以回收利用。

該研究的一個關(guān)鍵部分是由Custelcean和Michelle Kidder對該過程進(jìn)行徹底的熱力學(xué)分析，他確定了驅(qū)動每種化學(xué)反應(yīng)需要多少能量。最后一步 - 從碳酸鹽晶體釋放二氧化碳，使其可以長期儲存 - 對于開發(fā)能源可持續(xù)的過程尤為重要。由于二氧化碳與碳酸胍固體結(jié)合，因此可以在比現(xiàn)有捕集技術(shù)中使用的無機鹽低得多的溫度(80-160攝氏度，或176-320華氏度)下釋放出來，這些技術(shù)要求溫度超過800度C(1,472華氏度)釋放二氧化碳。然而，分析表明從碳酸胍晶體釋放CO2所需的熱量仍然很大。

為了使整個過程具有可持續(xù)性，Custelcean決定采用集中太陽能。他購買了一個太陽能烤箱，通常用于使用拋物面鏡烹飪食物以集中太陽光線。將碳酸胍晶體置于太陽能爐內(nèi)的托盤上，在再生胍化合物再循環(huán)的過程中，在短短2分鐘內(nèi)釋放出CO 2。

“使用可再生能源很重要，因為你想盡可能避免在試圖捕獲它的過程中產(chǎn)生更多的二氧化碳，”Custelcean說。他說，這項實驗使用的是太陽能，但廢熱 - 例如來自空調(diào)和發(fā)電廠的廢熱 - 也會起作用。

展望未來，研究人員希望設(shè)計更簡單，更有效的基于胍的吸附劑，并更好地了解直接空氣捕獲過程的結(jié)構(gòu)，熱力學(xué)和機械方面。

“到目前為止，我們制造的所有水晶都含有水合碳酸鹽陰離子的水，”Custelcean解釋說。“當(dāng)你試圖釋放二氧化碳時，你也必須解吸水，這需要大部分能量。我們正在嘗試設(shè)計下一代胍配體，將二氧化碳與'干'碳酸鹽結(jié)合。”

ORNL的實驗室規(guī)模流程目前可在24小時內(nèi)捕獲多達(dá)100克的二氧化碳。

研究人員申請了描述該過程的專利。在下一階段，他們尋求工業(yè)合作伙伴，將工藝從臺式試驗擴展到試驗工廠，最終擴大到全規(guī)模工業(yè)工廠。