更有效捕获二氧化碳的新技术可以减少发电厂的温室气体

金属-有机框架电厂排放

金属有机框架是高度多孔的,使它们成为吸收气体和液体的理想材料。这张图显示了金属镁(绿色球)的MOF内部,并添加了分子-四胺(蓝色和灰色)-添加到孔隙中,以更有效地吸收来自发电厂排放的二氧化碳。图片来源:加州大学伯克利分校尤金·金(Eugene Kim)的图表

Tetraamine-modified财政部更有效、更便宜地去除90%的二氧化碳。

碳捕集技术的重大进展可以为天然气发电厂提供一种有效和廉价的方式,从烟道排放中去除二氧化碳,这是减少温室气体排放以减缓全球变暖和气候变化的必要步骤。

研究人员在加州大学,伯克利这项新技术使用一种被称为金属有机框架(MOF)的高多孔材料,用含氮胺分子修饰来捕获CO2和低温蒸汽冲洗CO2用于其他用途或将其沉浸在地下。

在实验中,该技术显示出六倍的去除CO的能力2与现有的胺基技术相比,它具有较高的选择性,可捕获90%以上的CO2发出。该工艺使用低温蒸汽再生MOF以重复使用,这意味着碳捕获所需的能源更少。

”有限公司2捕获,蒸汽剥离 - 您可以使用直接接触蒸汽来脱离CO2-一直是该领域的圣杯。加州大学伯克利分校化学、化学和生物分子工程教授、伯克利实验室高级教员科学家杰弗里·朗(Jeffrey Long)说。yabovip2021“这些材料,至少从我们目前所做的实验来看,看起来非常有希望。”

因为大多数捕获的公司都有很少的市场2在美国,发电厂很可能会将大部分二氧化碳抽回地下或封存起来,理想情况下,这些二氧化碳会在地下变成岩石。清除排放的成本必须由政府政策来推动,如碳交易或碳税,以鼓励二氧化碳排放2捕获和封存,许多国家已经实施了。

这项工作由埃克森美孚公司资助,该公司正在与伯克利集团和Long的初创公司Mosaic Materials Inc.合作,开发、扩大和测试剥离CO的过程2从排放。

龙是一篇文章的高级作者,描述了2020年7月24日发表的新技术,发布了期刊科学

原子结构财政部

MOF中单个孔的原子结构显示了二氧化碳分子(灰色和红色球体)如何与四胺(蓝色和白色球体)结合,形成了穿过孔的二氧化碳聚合物。低温蒸汽可以剥离二氧化碳进行封存,让财政部可以重复利用,从发电厂排放的碳中捕获更多。图片来源:加州大学伯克利分校尤金·金(Eugene Kim)的图表

“我们有了最初的发现,通过研究和测试,得出了一种材料,在实验室实验中显示,这种材料不仅具有捕获CO的潜力2在天然气发电厂烟气排放的极端条件下,但要做到不损失选择性,”埃克森美孚研究与工程公司的高级研究员和项目负责人Simon Weston说,“我们已经证明,这些新材料可以用低等级的蒸汽再生,并重复使用,这为大规模的碳捕获提供了可行的解决方案。”

化石燃料燃料车辆的二氧化碳排放量,电力发电厂和行业估计为驾驶气候变化的温室气体的65%,已将地球平均气温增加1.8度华氏温度(1度摄氏)自19岁以来th世纪。气候科学家预测,如果不减少这些排放,气温将会越来越高,风暴将变得更加不稳定和猛烈,海平面将上升几英尺,并导致干旱、洪水、火灾、饥荒和冲突。

“事实上,政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)表示,为了控制全球变暖,我们需要做一些事情2捕获是一个巨大的部分,“长说。“我们没有用过的大部分公司2我们需要停止排放,但我们必须这么做。”

剥离

发电厂CO条2从今天的烟道排放,通过水中的有机胺鼓泡烟道气体,它结合并提取二氧化碳。然后将液体加热到120-150摄氏度(250-300华氏度)以释放CO2气体,然后液体被再利用。整个过程消耗大约30%的发电量。扣押俘获的CO2地下铁路的费用占其中的一小部分。

发电装置

以天然气为燃料的发电厂。一项新技术可以从这些植物排放的二氧化碳中捕获二氧化碳,将其封存在地下,减少导致气候变化的温室气体。资料来源:国际能源署

六年前,Long和他在加州大学伯克利分校气体分离中心的团队(该中心由美国能源部资助)发现了一种化学改性的MOF,可以很容易地捕获CO2从集中的发电厂烟道排放,可能将捕获成本降低了一半。它们将二胺分子添加到基于镁的MOF中以催化CO的聚合物链的形成2然后可以用潮湿的二氧化碳流冲洗。

因为MOFs是非常多孔的,在这种情况下就像蜂窝,一个回形针的重量就相当于一个足球场的内表面积,所有这些都可以用来吸附气体。

胺所附MOF的主要优点是胺可以调整以捕获CO2在不同的浓度下,从12%至15%的煤厂排放到4%的天然气植物,甚至环境空气中的浓度甚至均多。创建了长期共同创立和指导的马赛克材料,以使这种技术可广泛用于电力和工业厂房。

而是180摄氏度的水流和CO2需要冲洗被捕获的一氧化碳2最终驱动二胺分子,缩短了材料的寿命。新版本使用四种胺分子 - 四胺 - 在高温和蒸汽存在下更稳定。

“四胺在MOF中是如此强烈的结合,以至于我们可以使用浓度非常高的零CO水蒸气2如果你用之前的吸附剂试一下,蒸汽会开始破坏材料,”Long说。

他们发现,在110-120摄氏度(略高于水的沸点)的温度下,直接与蒸汽接触能很好地排出CO2.在天然气发电厂容易获得该温度的蒸汽,而180 C CO2-水混合物需要再生的早期修改MOF需要加热,这是浪费能源。

当Long, Weston和他们的同事第一次想到用更强的四胺取代二胺时,这似乎是一个渺茫的机会。但含二胺的MOFs的晶体结构表明,在保持材料聚合CO的能力的同时,可能有连接两个二胺形成四胺的方法2.当加州大学伯克利分校的研究生尤金·金(Eugene Kim),论文的第一作者,用化学方法创造了附加四胺的MOF时,它在第一次尝试中就超过了附加二胺的MOF。

研究人员随后使用伯克利实验室的先进光源研究了修饰MOF的结构,发现CO2排列在MOF孔隙上的聚合物实际上是由四胺连接的,就像一个四胺作为梯级的梯子。第一原理密度泛函理论计算使用伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的Cori超级计算机,分子铸工中心的计算资源和校园伯克利研究计算项目提供的资源证实了龙的团队最初设想的非凡结构。

“到现在为止,我已经在加州大学做了23年的研究,有时候你会有一个看起来很疯狂的想法,但它马上就奏效了,”朗说。

Reference: “Cooperative carbon capture and steam regeneration with tetraamine-appended metal–organic frameworks” by Eugene J. Kim, Rebecca L. Siegelman, Henry Z. H. Jiang, Alexander C. Forse, Jung-Hoon Lee, Jeffrey D. Martell, Phillip J. Milner, Joseph M. Falkowski, Jeffrey B. Neaton, Jeffrey A. Reimer, Simon C. Weston and Jeffrey R. Long, 24 July 2020,科学
DOI: 10.1126 / science.abb3976

Long、Kim和Weston的合著者是来自埃克森美孚的Joseph Falkowski;加州大学伯克利分校的Rebecca Siegelman、Henry Jiang、Alexander Forse、Jeffrey Martell、Phillip Milner、Jeffrey Reimer和Jeffrey Neaton;以及伯克利实验室的李正勋。尼顿和雷默也是伯克利实验室的资深科学家。

2的评论在“更有效地捕获二氧化碳的新技术可以减少电厂温室气体”

  1. 授予,二氧化碳仍然在大气中,几十年来,它有助于温室效应。赤缺点,水蒸气是一种更有效的,尽管更短暂的温室气体。如果一个燃烧CH4或更长的链烃,如汽油,则具有相当大的水蒸气效果。短期,燃烧较少的碳和烃导致较少的二氧化碳和更少的H2O。通过更好的绝缘建筑和其他效率改进来降低加热和冷却需求是一种快速而技术上轻松迈出较少燃烧和更少的核武器。舒适性增加,改善了对低收入和彩色社区的影响。作业是创建的。NE需要新技术或研究。同样适用于太阳能水加热,比PV更有效,并以水箱形式良好储存。如此令人沮丧,看看GoveNiment和Media忽视的第一步,最佳步骤。

  2. 马克
    通常指出,水在大气中具有相对较短的居住地,作为解除其效果的一种方式。然而,它不断从水体或转挖植被表面下风。因此,虽然浓度高度变化,但高(极地)纬度和炎热的沙漠中才能忽略不计。因此,人们应该真正关注浓度高达4%(WV)的气体的温暖效率,而不是0.04%(CO 2)。

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