美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出3D打印的二氧化碳捕獲裝置

2020年8月25日，南極熊從外媒獲悉，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的科學(xué)家們開發(fā)出一種新型的3D打印裝置，能夠在燃燒化石燃料時捕獲更多的二氧化碳。

這究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？利用3D打印技術(shù)，研究人員將一個熱交換器和一個質(zhì)量交換接觸器結(jié)合起來，成為一個多功能的二氧化碳吸收裝置。這個裝置的原位冷卻功能可以讓更多的二氧化碳從氣體轉(zhuǎn)移到液體狀態(tài)，提高其碳保留率。測試結(jié)果表明，通過使用ORNL團(tuán)隊的3D打印新組件，可以吸收工業(yè)過程中產(chǎn)生的高達(dá)20%的二氧化碳。

該項目的首席研究員Xin Sun說："在設(shè)計我們的3D打印裝置之前，由于柱子填料元件的幾何形狀復(fù)雜，很難在二氧化碳吸收柱中實(shí)現(xiàn)熱交換器的概念，通過3D打印，質(zhì)量交換器和熱交換器可以共存于一個多功能的強(qiáng)化裝置中?！?br />
"此外，研究表明，控制吸收的溫度對捕獲二氧化碳至關(guān)重要。"

ORNL團(tuán)隊的多功能裝置（如圖）能夠比現(xiàn)有的同類裝置捕獲更多的碳排放，照片來自 ORNL

吸收和減少二氧化碳排放

碳收集與封存（CCS）是控制一些工業(yè)過程中二氧化碳排放的重要方法，也是應(yīng)對氣候變化的重要武器。而吸收法既是目前最廉價的CCS方法，也是探索最多的方法，對碳吸收的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代。

為了實(shí)施吸收策略，需要將含有二氧化碳的煙氣流與對二氧化碳具有化學(xué)親和力的溶劑直接接觸。一乙醇胺(MEA)是一種常用的溶劑，它能夠與二氧化碳分子結(jié)合，其反應(yīng)使其被另一種MEA分子快速而有利地取代。因此，MEA的吸收能力使其成為捕捉有毒排放物的理想選擇。

鑒于CCS需要CO2擴(kuò)散到大量液體中，因此也希望最大限度地增加氣流和液體溶劑之間的接觸面積。擴(kuò)大溶劑的表面積可以通過通道式、結(jié)構(gòu)化的填料，或小環(huán)等形狀的隨機(jī)填料來實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)化溶劑是CCS的最佳選擇，因?yàn)樗鼈円龑?dǎo)流體通過重復(fù)的流動路徑，優(yōu)化吸收能力。

盡管MEA洗滌是一種有據(jù)可查的方法，但由于其隨溫度變化而退化的趨勢，它還沒有被廣泛采用。在高溫下，CO2的溶解度降低，從而降低了其吸收能力，并限制了溶劑的裝載量。在溫度高于80℃時，60%～80%的二氧化碳被釋放，大大阻礙了MEA控制碳排放的能力。

級間冷卻被譽(yù)為解決MEA過熱問題的方法。以往的研究表明，抽掉溶劑并通過熱交換器，可以減少因溫度變化而損失的二氧化碳量。這種方法的缺點(diǎn)是其復(fù)雜性增加，往往導(dǎo)致實(shí)施成本增加。

ORNL的研究人員使用3D打印來優(yōu)化他們的裝置，以提高二氧化碳的吸收能力，圖片來自O(shè)RNL的Carlos Jones

ORNL的3D打印冷卻策略

利用3D打印，ORNL團(tuán)隊創(chuàng)建了一個裝置，將兩個獨(dú)立的功能結(jié)合到一起。ORNL團(tuán)隊使用鋁材3D打印了他們的原型，并將該裝置設(shè)計成在波紋片之間嵌入冷卻劑通道。最終的多功能裝置直徑為20.3厘米，高度為14.6厘米，內(nèi)部冷卻劑通道的總體積為600毫升。

設(shè)計該組件的ORNL研究員Lonnie Love補(bǔ)充道："該裝置可以使用其他材料制造，例如新興的高導(dǎo)熱聚合物和金屬。隨著時間的推移，3D打印等增材制造方法通常具有成本效益，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的制造方法相比，打印一個部件需要更少的精力和能量。"

事實(shí)證明，該團(tuán)隊的多功能裝置能夠在測試過程中捕獲20%的二氧化碳排放，圖片來自O(shè)RNL

為了測試他們的原型，ORNL團(tuán)隊將其安裝在一個高度為2.06米、直徑為20.3厘米的吸收柱上。鑒于在他們的裝置附近積累熱量需要相當(dāng)長的時間，研究人員將溶劑加熱到70℃，然后再從下往上將它們泵入柱中。

使用二氧化碳測量儀獲得的測量結(jié)果顯示，該團(tuán)隊的3D打印裝置比商業(yè)上可用的冷卻替代品更具吸收力。在其峰值時，總二氧化碳濃度的20%，相當(dāng)于360SLPM的空氣和90SLPM的二氧化碳被他們的吸收劑捕獲。

進(jìn)一步的測試表明，在冷卻前將氣流速度降低到264 SLPM，發(fā)現(xiàn)可以提高捕獲率，高達(dá)94%的碳被吸收。相比之下，該裝置的熱性能無法與商業(yè)熱交換器相媲美，而且它的最佳工作溫度40℃以下也無法冷卻。

不過，不管該裝置的熱能缺陷如何，ORNL的研究人員還是得出結(jié)論，進(jìn)一步優(yōu)化該裝置的幾何形狀，還可以在吸收二氧化碳的量上有更大的改善。"這種3D打印強(qiáng)化裝置的成功代表了提高二氧化碳吸收效率的一個前所未有的機(jī)會，并證明了概念的證明，"Sun總結(jié)道。

研究人員的研究結(jié)果詳見他們發(fā)表在AIChE雜志上的題為  “Process intensification of CO2 absorption using a 3D printed intensified packing device,”的論文。該報告由Eduardo Miramontes、Ella A. Jiang、Lonnie J. Love、Canhai Lai、Xin Sun和Costas Tsouris共同撰寫。