海绵从空气中吸收二氧化碳

现代多燃料发电厂

Berkeley Lab正在追求负面排放技术的组合和相关研究,以从大气中去除二氧化碳。

与伯克利实验室科学家杰弗里·朗就一种捕捉二氧化碳的材料进行问答。

现在,人类活动每年导致相当于400亿吨的二氧化碳排放到大气中,这将使地球温度上升1.5度摄氏到2040年将超过工业化前的水平。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的说法,我们必须将全球变暖限制在1.5摄氏度以内,以避免气候变化最危险的影响。

科学家们越来越认识到,从大气中去除和隔离二氧化碳的负排放技术(net)将是减缓气候变化战略的一个重要组成部分。劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,简称Berkeley Lab)是能源部的一个多学科研究实验室,目前正在开展负排放技术和相关研究。从地质和陆地封存,到生物产品的转化,再到氢燃料的热反应堆。

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Jeffrey Long是伯克利实验室材料科学部的资深科学家,也是加州大学伯克利分校化学学院的教授。yabovip2021

目前正在开发的一种很有前景的碳捕集技术是使用一种叫做MOF(金属有机骨架)的材料进行碳捕集。Jeffrey Long是伯克利实验室材料科学部的资深科学家,也是加州大学伯克利分校化学学院的教授,多年来一直在研究这种独特的材料。yabovip2021

问:财政部是什么?它在减少二氧化碳排放方面能发挥什么作用?

金属有机骨架是一种具有高度多孔性的固体材料,像海绵一样,能够吸收大量的特定气体分子,比如二氧化碳。它们已经存在了大约20年,在过去的十年里,随着科学家们发现越来越多的实际应用,研究出现了爆炸式增长。有什么独特的财政部它们有非常大的内表面积。仅仅一克MOF(相当于一块方糖的量)的表面积就比一个足球场还大。因此,如果设计得当,少量的MOF就可以从化石燃料燃烧产生的废气中除去大量的二氧化碳。

几年前,我们偶然发现某些MOFs可以通过一种前所未有的开关式机制捕获二氧化碳。我们进一步优化了材料,以便在二氧化碳进入大气之前从电厂烟道中有效去除二氧化碳。我们发现,与其他技术相比,MOF的二氧化碳捕获和释放可以用更小的温度变化来完成,这使其比传统捕获二氧化碳的方法具有很大的优势。(吸附的二氧化碳可以用于其他产品。)这种策略消除了将高价值、高温蒸汽从电力生产中转移的需要,避免了电力成本的大幅增加。在这些努力的过程中,我们还证明了MOFs的变体可以有效地从其他混合气体中去除二氧化碳,包括沼气、天然气,甚至直接从空气中去除二氧化碳。

对于直接空中捕获,MOF是我们看到的最好的方式。For the carbon capture part of BECCS (or bioenergy with carbon capture and storage, an emerging negative emissions technology), where you’re essentially growing trees or crops, combusting them for fuel, then capturing and sequestering that CO2, I think MOFs could also do the capture part better than any other material.

问:听起来很有希望。这项技术目前的状况如何?它是否被用于商业用途?

2014年成立了一家名为Mosaic Materials的初创公司(我在该公司拥有财务利益),致力于各种二氧化碳分离工艺的MOFs的商业化生产。在伯克利实验室,我们正在领导一个由国家能源技术实验室(NETL)资助的项目。在这个项目中,我们正在与Mosaic Materials和一家名为Svante的加拿大工程公司合作,对燃煤电厂的烟气进行试点示范。

在此,在独特的旋转床系统中使用MOF可以实现快速捕获-释放循环时间和降低能耗。最终,这种技术的广泛商业应用将导致碳捕获相关成本和能源的大幅降低,因为它必然会在全球范围内实施。

在其他地方,MOF在商业用途中用于安全存储其他危险气体。对于Co2Capture,我会说他们现在接近准备好进行商业部署。

问:如果是这样的话,那么对于MOFs还需要进一步的研究吗?

我们需要大幅降低直接空气捕捉的成本。(现在做这件事很贵。)已经有一些公司在这样做了——他们建造的设备带有风扇,通过含有多孔材料的设备来吹气——但是使用的材料不是很有效,使得设备的运行成本非常高。用这种技术去除二氧化碳的成本目前在每吨500美元到1000美元之间。我们需要设计出性能更高的材料来帮助把成本降到每吨100美元以下。

这种高成本背后的主要问题是再生吸附剂所需的能量,也就是说,将二氧化碳以纯形式释放出来,这样材料就可以再次用于捕获更多的二氧化碳。在这里,我们认为MOFs中可获得的协同吸附机制可以显著降低再生所需的热量和真空。

然而,另一个需要考虑的问题是吹气所需的能量。如果你有一股二氧化碳浓度为百万分之410的气流进来,其中一个困难是大多数材料可能会除去少量的二氧化碳并将二氧化碳浓度降低到,比如说,300ppm,从而捕获25%的二氧化碳。这就是所谓的捕获率。然后为了捕获更多的空气,你必须让更多的空气通过材料来填充它。

但是如果捕获率达到90%,你就可以把二氧化碳浓度降低到百万分之40。这意味着你可以少吹一些空气来去除二氧化碳,从而节约能源。

One of our research goals is to develop materials that have a high capacity, a high capture rate, fast kinetics for CO2 adsorption, and a low regeneration temperature, while also limiting the co-adsorption of water so that you’re not wasting energy on its desorption if you don’t need to. The kinetics means how quickly the CO2 is taken up by the material.

我认为,从空气中去除的每吨二氧化碳的成本有可能低于100美元。要达到这个目标还需要进行大量的研究。我们需要重新思考材料设计的一些方式,并理解如何处理二氧化碳吸附的s(熵),从而减少释放二氧化碳所需的热量。

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