生物启发膜分离和捕获温室气体

生物膜净化温室气体

酶促液膜设计和二氧化碳捕获和分离的机构。新墨西哥膜的桑迪亚/大学通过形成的8纳米直径的中孔来制造。使用原子层沉积和氧等离子体处理中,氧化硅介孔改造成除了在孔表面是亲水性的一个18纳米深的区域的疏水性。通过毛细管冷凝,碳酸酐酶和水自发填充亲水孔,以形成稳定化的酶的用有效浓度大于在溶液中可实现的10倍的阵列。这些催化在上游表面的捕获和二氧化碳的溶解和二氧化碳中的下游表面的再生。高酶浓度和短的扩散路径最大化捕获效率和通量。(Sandia国家实验室提供图片)

一种基于生物膜旨在净化的二氧化碳几乎完全来自燃煤电厂的烟气已经由桑迪亚国家实验室和新墨西哥大学的科学家开发的。

《自然通讯》(Nature Communications)最近报道了这项获得专利的工作,它引起了电力和能源公司的兴趣,这些公司希望以低成本大幅减少二氧化碳的排放,并探索这项发明的其他可能用途。二氧化碳是最广泛的温室气体之一。

该memzyme通过在每吨40 $较低的成本获取90%的电厂二氧化碳生产符合节能的标准署。

研究人员长期膜中的“memzyme”,因为它的作用就像一个过滤器,但接近饱和酶,碳酸酐酶,由活细胞经过数百万年来帮助发展高效,快速消除二氧化碳的自己。

“迄今为止,利用目前可用的厚的、固体的聚合物膜,从烟雾中提取二氧化碳一直是非常昂贵的,”新墨西哥大学摄政教授和该论文的首席作者Jeff Brinker说。

“我们的廉价方法遵循了大自然的做法,我们使用了一种只有18纳米厚的水基膜,这种膜结合了天然酶,可以捕获90%释放的二氧化碳(一纳米大约是人头发直径的1/700。)这比目前的商业方法几乎好70%,而且成本很低。”

煤电厂是美国最大的能源生产商之一,但一些人批评它们向大气中排放的二氧化碳比任何其他形式的发电都多。不过,中国、印度和其他国家的煤炭燃烧意味着,仅靠美国的节欲不太可能解决全球气候问题。

但是他说,布林克,“也许技术将”。

该装置的形成始于一个称为蒸发诱导自组装的干燥过程,该过程由Brinker在20年前首次在Sandia开发,是一个独立的研究领域。

这个过程创造了一个紧密排列的二氧化硅纳米孔阵列,用来容纳碳酸酐酶并保持其稳定。这是通过几个步骤完成的。首先,该阵列可能有100纳米长,通过一种称为原子层沉积的技术进行处理,以使纳米孔表面的水厌恶或疏水。然后是氧气等离子体覆盖在憎水表面的处理方法,使纳米孔亲水或亲水,但深度仅为18纳米。酶和水的溶液会自发地充满纳米孔,并稳定在纳米孔的亲水部分。这就形成了18纳米厚的水膜,碳酸酐酶的浓度是迄今为止水溶液的10倍。

该解决方案,在家中的喜水套,是稳定的。但由于酶的快速和选择性地溶解二氧化碳的能力,催化膜具有捕获的绝大多数的二氧化碳分子,从煤烟的上升云刷反对它的能力。钩状分子然后通过膜,只通过对膜的一侧和其相对缺乏对其他造成的大量二氧化碳分子的天然存在的压力梯度驱动迅速通过。化学工艺将气体短时间内使碳酸然后是碳酸氢盐,然后直接以二氧化碳气体的形式流出下游。这种气体的纯度可以达到99%,可以被石油公司用于资源开采。其他分子通过膜的表面而不受干扰。这种酶是可重复使用的,因为水是一种媒介而不是作用者,所以不需要更换。

由于蒸发,纳米孔会在很长一段时间内变干。为了减少硫的排放,发电厂已经安装了较低的水浴,而从水浴中升起的水蒸气将检验这一点。而且,长期使用而损坏的酶很容易被替换。

说布宁克,“碳酸酐酶的浓度非常高,与水通道的薄沿,导致通过膜非常高的二氧化碳通量。所述碳酸酐酶浓度越大,磁通越大。越薄膜,更大的通量“。

Brinker认为,这种膜在发电站烟道中的布置就像汽车中的催化转换器。这些薄膜会位于像蜂巢一样排列的管的内表面。烟道气体将通过膜嵌管,与无二氧化碳气体流在管的外面。改变管的长度和直径将优化二氧化碳提取过程。

“能源公司,石油和天然气公用事业优化特定条件下的气体过滤器表示了兴趣,”苏珊Rempe,桑迪亚国家实验室研究员和共同作者,谁提出和发展将碳酸酐入水解决方案来提高速度的想法说通过该二氧化碳可吸收并从膜释放。“酶可催化每秒一百万二氧化碳分子的溶解,极大地改善了处理的速度。由行业优化,memzyme可以使电力生产廉价和绿色的,”她说。

分离过程可以增加通过向现有储层注入二氧化碳来提高石油采收率而获得的燃料量。

她说,在同样的过程中使用的一种稍微不同的酶,可以将甲烷——一种更强的温室气体——转化为更易于溶解的甲醇,以便去除。

之前清洗工业洗涤塔意味着冉冉升起的烟雾将足够干净不显著影响膜效率,新墨西哥大学教授和论文的合著者说Ying-Bing江,起源和发展的想法使用水膜根据人体的过程分离出二氧化碳。几个月来,这种薄膜在实验室环境下已经有效地工作。

作者提到,这一过程还可以在航天器上隔离二氧化碳,因为薄膜是在环境温度下工作的,完全由化学梯度驱动。

这项工作最初由桑迪亚实验室指导的研究和开发提供支持,并由能源部科学办公室和空军科学研究办公室提供额外资金。这项工作的一部分是在综合纳米技术中心进行的,该中心是桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室运营的科学用户设施办公室。

发表:付亚勤,等,“CO超薄酶液膜2《分离与捕获》,《自然通讯》,第9卷,文章编号:990(2018年)DOI:10.1038 / s41467-018-03285-X

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