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(shí)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(gè)熱交換器和一個(gè)質(zhì)量交換接觸器結(jié)合起來,，成為一個(gè)多功能的二氧化碳吸收裝置,。這個(gè)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(duì)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(xiàng)目的首席研究員Xin Sun說："在設(shè)計(jì)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(gè)多功能的強(qiáng)化裝置中�,！�

"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(duì)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(jià)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(dòng)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(shí),，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(duì)創(chuàng)建了一個(gè)裝置,，將兩個(gè)獨(dú)立的功能結(jié)合到一起。ORNL團(tuán)隊(duì)使用鋁材3D打印了他們的原型,，并將該裝置設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(gè)部件需要更少的精力和能量,。"

事實(shí)證明，該團(tuán)隊(duì)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(duì)將其安裝在一個(gè)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(shí)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(duì)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(shí),，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(gè)前所未有的機(jī)會(huì),，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(bào)告由Eduardo Miramontes,、Ella A. Jiang、Lonnie J. Love,、Canhai Lai,、Xin Sun和Costas Tsouris共同撰寫。