ORNL研究人員開發(fā)出3D打印的二氧化碳吸收裝置

來源：中國3D打印網(wǎng)

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的科學(xué)家開發(fā)了一種新型3D打印設(shè)備,，該設(shè)備能加從燃燒化石燃料中捕獲的二氧化碳量,。利用3D打印技術(shù)研究人員能夠?qū)�熱交換器和質(zhì)量交換接觸器結(jié)合在一起，成為多功能的CO2吸收裝置,。鋁制設(shè)備的原位冷卻能力使更多的二氧化碳從氣體轉(zhuǎn)移到液態(tài),，從而提高了碳的保留率。簡要測試顯示,，通過實(shí)施ORNL團(tuán)隊(duì)的新組件,，可以吸收多達(dá)20％的工業(yè)流程產(chǎn)生的二氧化碳。

該項(xiàng)目的首席研究員孫欣說:“在設(shè)計3D打印設(shè)備之前,，由于二氧化碳填充塔的幾何形狀復(fù)雜,，因此很難在CO2吸收塔中實(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增強(qiáng)型設(shè)備中,，

控制吸收溫度對于捕獲二氧化碳是至關(guān)重要的�,！�

ORNL小組的多功能設(shè)備（如圖所示）比現(xiàn)有的同類設(shè)備能夠捕獲更多的碳排放,。 通過ORNL的Michelle Lehman。

碳捕集與封存（CCS）是限制許多工業(yè)過程中CO2排放的重要方法,，也是應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵武器,。反過來，吸收是最便宜的CCS方法和最探索的方法,，碳吸收的研究可以追溯到1960年代,。

為了實(shí)施吸收策略，需要將包含二氧化碳的煙氣流與與CO2具有化學(xué)親和力的溶劑直接接觸,。單乙醇胺（MEA）是一種常用的溶劑,，能夠與二氧化碳分子鍵合，并且其反應(yīng)使其迅速而有利地被另一種MEA分子取代,。因此,，MEA的吸收性使其非常適合捕獲有毒物質(zhì)。

考慮到CCS需要CO2擴(kuò)散到整體液相中,，因此也需要使氣流和液體溶劑之間的接觸面積最大化,。擴(kuò)大溶劑的表面積既可以通過開槽,，規(guī)整填料,，也可以通過無規(guī)填料（例如小環(huán)）來實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)化溶劑是CCS的最佳選擇,，因?yàn)樗鼈兛梢龑?dǎo)流體通過定義明確且重復(fù)的流路,，從而優(yōu)化吸收性,。

盡管MEA洗滌是一種有據(jù)可查的方法，但由于其溫度相關(guān)的降解趨勢而并未得到廣泛采用,。在高溫下,，CO2的溶解度降低，這降低了其吸收能力,，并限制了豐富的溶劑負(fù)載量,。在高于80°C的溫度下，60％至80％的二氧化碳會被解吸,，這嚴(yán)重阻礙了MEA防止碳排放的能力,。

階段間冷卻被吹捧為解決MEA過熱問題的解決方案。先前的研究表明,，將溶劑抽出并通過熱交換器可以減少因溫度變化而損失的CO2量,。這種非原位方法的缺點(diǎn)在于其復(fù)雜性的增加常常導(dǎo)致更高的實(shí)施成本。

ORNL研究人員（如圖）使用3D打印來優(yōu)化其設(shè)備的二氧化碳吸收能力,。圖片來自O(shè)RNL卡洛斯·瓊斯（Carlos Jones）,。

使用3D打印，ORNL團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種將兩個獨(dú)立功能組合到一個階段的設(shè)備,，同時管理接觸階段和熱交換,。增材制造無需生產(chǎn)具有復(fù)雜冷卻劑設(shè)計的組件，而是使研究人員能夠?qū)⑼ǖ篮喜⒌桨�裝好的設(shè)備中,，而不會影響其幾何形狀,。

ORNL小組3D使用鋁印刷了他們的原型，并設(shè)計了該設(shè)備在其規(guī)整填料的波紋板之間包括嵌入式冷卻劑通道,。最終的多功能設(shè)備直徑為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,�,！霸撛O(shè)備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,，”設(shè)計該組件的ORNL研究人員Lonnie Love補(bǔ)充說,。 “隨著時間的推移，諸如3D打印之類的附加制造方法通常具有成本效益,，因?yàn)榕c傳統(tǒng)制造方法相比,，印刷零件所需的時間和精力更少�,！�


該團(tuán)隊(duì)的多功能設(shè)備被證明能夠捕獲測試過程中排放的20％的二氧化碳,。圖片來自O(shè)RNL。 為了測試其原型,，ORNL團(tuán)隊(duì)將其安裝到了一個吸收柱上,，該吸收柱的高度為2.06 m,，直徑為20.3 cm�,？紤]到要花大量時間在設(shè)備附近積聚熱量,，研究人員將溶劑加熱到70度，然后從下往上將其泵入色譜柱,。使用二氧化碳計進(jìn)行的傳質(zhì)測量表明,，該團(tuán)隊(duì)的3D打印設(shè)備比市售的異位冷卻替代產(chǎn)品更具吸收性。在其峰值時,，二氧化碳的總濃度的20％（相當(dāng)于360 SLPM的空氣和90 SLPM的CO2）被其添加劑吸收劑捕獲,。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，進(jìn)一步的測試表明,，增加的氣流速率可以減少二氧化碳向團(tuán)隊(duì)設(shè)備中的傳質(zhì),。反過來，發(fā)現(xiàn)在冷卻前將空氣流速降低到264 SLPM可以提高捕獲率,，最多可吸收94％的碳,。相比之下，該設(shè)備的熱性能無法與商用熱交換器相媲美,，并且無法將其冷卻至低于其最佳工作溫度40oC,。 盡管如此，不管設(shè)備存在哪些熱缺陷,，ORNL的研究人員均得出結(jié)論,，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備的幾何形狀仍可以極大地改善其吸收的CO2量。

Sun總結(jié)說：“這種3D打印增強(qiáng)型設(shè)備的成功代表了進(jìn)一步提高二氧化碳吸收效率的前所未有的機(jī)會,，并證明了這一點(diǎn),。”3D打印中的環(huán)保創(chuàng)新 近年來,，研究人員已使用3D打印來減少大規(guī)模生產(chǎn)對廣泛應(yīng)用環(huán)境的影響,。來自加泰羅尼亞能源研究所和加泰羅尼亞研究與高級研究所的科學(xué)家已經(jīng)使用3D打印技術(shù)增強(qiáng)了固體氧化物燃料電池（SOFC）。 “新一代”能量電池可用于最終用途的發(fā)電應(yīng)用中,，或用于創(chuàng)建增強(qiáng)型能量存儲設(shè)備,。 一個國際材料研究項(xiàng)目開發(fā)了一種3D可打印金屬合金，可以使制冷冷卻系統(tǒng)更節(jié)能,。這種材料是鎳和鈦的組合,，是一種形狀記憶合金，可以反復(fù)轉(zhuǎn)變以將熱量抽出系統(tǒng),。 同樣,，馬來西亞Teknologi大學(xué)的研究人員提出了3D打印作為制造為熱聲冰箱（TAR）供電的板的替代方法。利用Stratasys系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)法將板的厚度增加了40％,。