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科學(xué)家展示捕獲二氧化碳的新方法!

發(fā)布時(shí)間:2021/3/29 8:51:32  點(diǎn)擊量:

作為降低碳捕獲成本的馬拉松式研究工作的一部分,化學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)展示了一種捕獲二氧化碳的方法,與目前的商業(yè)技術(shù)相比,成本降低了19%。這項(xiàng)新技術(shù)與商業(yè)化的同類(lèi)技術(shù)相比,完成同樣的任務(wù)所需的能量減少了17%,超越了阻礙其他形式的碳捕集技術(shù)在工業(yè)上廣泛使用的障礙,而且它可以很容易地應(yīng)用在現(xiàn)有的捕集系統(tǒng)中。

在2021年3月版的《國(guó)際溫室氣體控制雜志》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中,來(lái)自美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員--以及來(lái)自福陸公司和電力研究所的合作者--描述了被稱(chēng)為EEMPA的溶劑的特性,使其能夠避開(kāi)傳統(tǒng)溶劑所產(chǎn)生的能源上的昂貴需求。

"EEMPA具有一些有前途的品質(zhì),"該研究的主要作者化學(xué)工程師袁江說(shuō)。"它可以在不含高水的情況下捕獲二氧化碳,所以它是水溶性的,而且它的粘性比其他水溶性溶劑小得多。"

碳捕獲方法是多種多樣的。它們的范圍從水胺--富含水的溶劑,貫穿于當(dāng)今市面上的捕捉裝置--到從發(fā)電廠排放的煙氣中過(guò)濾二氧化碳的節(jié)能膜。

當(dāng)前大氣中的二氧化碳含量近年來(lái)飆升,比過(guò)去80萬(wàn)年內(nèi)的任何時(shí)候都要高,2019年創(chuàng)下了409.8ppm的新高。二氧化碳主要是通過(guò)化石燃料燃燒等人類(lèi)活動(dòng)釋放出來(lái)的,如今的大氣濃度超過(guò)工業(yè)化前水平47%。

根據(jù)能源部的分析,以每臺(tái)成本4-5億美元計(jì)算,商業(yè)技術(shù)可以捕獲碳,每噸二氧化碳的價(jià)格大約為58.30美元。根據(jù)袁江的研究,EEMPA可以從電廠煙氣中吸收二氧化碳,之后以純二氧化碳的形式釋放出來(lái),價(jià)格僅為每公噸47.10美元,為電廠運(yùn)營(yíng)商提供了一個(gè)額外的二氧化碳捕獲技術(shù)選擇。

袁江的研究描述了電廠在使用EEMPA時(shí)可以采用的七種流程,從類(lèi)似于20世紀(jì)30年代技術(shù)中描述的簡(jiǎn)單設(shè)置,到更復(fù)雜的多級(jí)配置。袁江模擬了在一個(gè)550兆瓦的煤電廠中運(yùn)行這些工藝的能源和材料成本,發(fā)現(xiàn)每種方法的成本都凝聚在每噸47.10美元左右。

解決溶劑的問(wèn)題

最早已知的溶劑型碳捕獲技術(shù)專(zhuān)利之一出現(xiàn)在1930年,由Robert Bottoms申請(qǐng)?!拔也皇情_(kāi)玩笑,”新研究的共同作者,綠色化學(xué)家David Heldebrant說(shuō)?!?1年前,Bottoms使用幾乎相同的工藝設(shè)計(jì)和化學(xué)方法來(lái)解決我們現(xiàn)在所知道的21世紀(jì)的問(wèn)題?!?/p>

從燃燒后的氣體中提取二氧化碳的化學(xué)過(guò)程基本上沒(méi)有改變:富含水的胺類(lèi)與煙氣混合,吸收二氧化碳,隨后從氣體中剝離,然后將其壓縮并儲(chǔ)存。但水胺也有局限性。因?yàn)樗鼈兏缓?,所以必須在高溫下煮沸以去除二氧化碳,然后冷卻后才能重復(fù)使用,從而使成本上升。

"我們想從另一個(gè)側(cè)面打聽(tīng)一下,為什么我們不使用21世紀(jì)的化學(xué)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?" Heldebrant說(shuō)。于是,在2009年,他和他的同事們開(kāi)始設(shè)計(jì)無(wú)水溶劑作為替代方案。最初的幾種溶劑都太粘稠,無(wú)法使用。

他回憶說(shuō):“你看,行業(yè)合作伙伴說(shuō):‘你的溶劑正在凍結(jié),并變成玻璃。我們不能用這種溶劑?!?,我們說(shuō),好吧。接受挑戰(zhàn)?!?/p>

在接下來(lái)的十年里,PNNL團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了溶劑的化學(xué)成分,其明確目標(biāo)是克服 "粘度障礙"。結(jié)果發(fā)現(xiàn),關(guān)鍵是使用分子以促進(jìn)內(nèi)部氫鍵的方式排列,留下較少的氫原子與鄰近分子相互作用。

Heldebrant用孩子們跑過(guò)球坑做了一個(gè)比較:如果兩個(gè)孩子在通過(guò)時(shí)互相握住對(duì)方的手,他們就會(huì)緩慢移動(dòng)。但如果他們改握自己的手,他們就會(huì)作為兩個(gè)較小的、移動(dòng)較快的物體通過(guò)。內(nèi)部氫鍵也會(huì)使整體上相互作用的氫原子減少,類(lèi)似于把球從坑里移走。

轉(zhuǎn)向塑料

該團(tuán)隊(duì)的溶劑曾經(jīng)像蜂蜜一樣粘稠,現(xiàn)在卻像水壺里的水一樣流動(dòng)。EEMPA的粘度比PNNL以前的水凈配方低99%,現(xiàn)在幾乎與商業(yè)溶劑相當(dāng),可以在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施中加以利用,而現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施主要是由鋼材建造的。研究小組發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)而使用塑料代替鋼材,可以進(jìn)一步降低設(shè)備成本。

鋼材生產(chǎn)成本高,運(yùn)輸成本高,而且與溶劑接觸時(shí)間長(zhǎng)了容易腐蝕。根據(jù)袁江在2019年領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究,以十分之一的重量,用塑料代替鋼材可以使整體成本再降低5美元/噸。

與塑料的搭配為EEMPA提供了另一個(gè)優(yōu)勢(shì),其反應(yīng)表面積在塑料體系中得到提升。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的水性胺不能很好地 "濕潤(rùn) "塑料,這種優(yōu)勢(shì)是新溶劑所獨(dú)有的。

PNNL團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在2022年生產(chǎn)4000加侖的EEMPA,在阿拉巴馬州謝爾比縣國(guó)家碳捕集中心的測(cè)試設(shè)施內(nèi)以0.5兆瓦的規(guī)模進(jìn)行分析,該項(xiàng)目由電力研究所與國(guó)際三角研究所合作領(lǐng)導(dǎo)。他們將繼續(xù)以越來(lái)越大的規(guī)模進(jìn)行測(cè)試,并進(jìn)一步完善溶劑的化學(xué)成分,目的是達(dá)到美國(guó)能源部的目標(biāo),即到2035年部署可以以每噸30美元的成本捕獲二氧化碳的商業(yè)化技術(shù)。



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