2020年7月10日
任何减缓气候变化计划的一个重要组件是削减二氧化碳(有限公司2从人类活动排放。一些电厂现在有有限公司2捕捉设备,抓住有2022世界杯美洲区赛程表限公司2排气。但是这些系统都是一家化工厂的大小,花费数亿美元,需要大量的能量,和工作只在包含高浓度的排气流有限公司2。简而言之,他们不解决飞机、家庭供暖系统,或汽车。
更糟的是,捕获有限公司2所有人为源排放可能不会解决气候问题。“即使那些发射器停止明天早上,我们仍然需要做一些关于公司的数量2空气中如果我们要恢复工业化前的大气水平速度与人性,”说Sahag Voskian SM的15个博士19日联合创始人兼首席技术官Verdox, Inc .和开发技术,可以捕获的有限公司2空气中是一个特别困难的问题,部分原因是有限公司2发生在这样的低浓度。
的有限公司2捕获的挑战
公司的一个关键问题2捕获是找到“吸着剂”,将有限公司2在一连串的气体,然后释放它吸附剂是清洁和准备重用和发布的公司2固流可以利用或发送到网站长期储存。研究主要集中在吸附剂材料出现小颗粒的表面包含捕获有限公司“积极网站”2——这一过程被称为吸附。当系统温度降低(或压力)增加,有限公司2坚持粒子表面。当温度(或压力降低),有限公司2被释放。但实现这些温度或压力的“波动”需要相当大的精力,部分原因是它需要把整个混合物,不仅仅是有限公司2其吸着剂。
Voskian, 2015年,然后在化学工程博士学位候选人,和t·艾伦•哈顿的拉尔夫朗道化学工程教授和主任麻省理工学院能源倡议低碳能源中心的碳捕获,利用率,和存储,开始仔细看看温度和变压的方法。“我们想知道我们只能通过使用可再生资源,比如可再生电力——而不是热或压力,”哈顿说。使用电力来引出公司所需的化学反应2捕捉和转换已经研究了几十年,但哈顿和Voskian新想法如何工程师更有效吸附装置。
他们的工作集中在一个特殊的类的分子称为醌类。当醌分子被迫——这意味着他们承担额外的电子带负电,他们有很高的化学亲和力的有限公司2任何通过分子和障碍。当额外的电子从醌分子,醌的化学亲和力有限公司2立即消失,分子释放捕获的有限公司2。
其他调查使用醌类和电解质的电化学装置。在大多数情况下,这些设备包括两个电极- - 1,公司的解散醌被激活2捕获和积极的释放为有限公司2释放。但解决方案从一个电极转移到另一个需要复杂的流动和泵送系统庞大,占用相当大的空间,限制了可以使用的设备。
作为替代,哈顿和Voskian决定使用醌作为固体电极,通过应用哈顿所说的“一个小电压的变化”——改变电荷电极本身的激活和停用醌。在这样的设置中,会有不需要泵液体周围或提高和降低温度或压力,和有限公司2最终将作为一个轻松分离附件固态醌电极。他们认为他们的概念“electro-swing吸附”。
electro-swing细胞
将自己的理念付诸实践,研究者设计了电化电池两图如图1所示在上面的幻灯片。最大化曝光,他们把两个醌电极以外的细胞,从而增加其几何的能力有限公司2捕捉。切换和关闭的醌,他们需要提供电子组件,然后将他们带回。工作,他们使用一个单一的二茂铁电极,电极夹在两个醌但通过电解质膜分隔符分开,以防止短路。他们连接醌二茂铁电极使用电路的电极线在顶部,用电源。
电源产生一个电压,导致电子流动从二茂铁醌通过电线。醌是现在带负电。当有限公司2含有空气或排气吹过去的这些电极,醌将捕获有限公司2表面分子,直到所有活跃的站点都塞满了。放电循环期间,电压在细胞的方向逆转,和电子流动的醌二茂铁。醌不再是带负电荷的,所以没有公司的化学亲和力2。的有限公司2分子被释放并被系统净化气体流的后续使用或处理。醌现在再生,准备捕捉更多公司2。
两个额外的组件是成功运作的关键。首先是电解质,在这种情况下液体盐,,滋润着细胞与积极的和消极的离子(带电粒子)。因为电子只流过外部电线,这些细胞内的离子必须旅行从一个电极流向另一为连续操作关闭电路。
第二个特殊的成分是碳纳米管。电极,醌和二茂铁都是目前碳纳米管的表面涂层。纳米管都是强大和高导电,所以他们提供良好的支持,作为一种有效的渠道的电子旅游醌和二茂铁。
为了制造一个细胞,研究人员首先合成一种醌或ferrocene-based聚合物,特别是polyanthraquinone或polyvinylferrocene。然后他们做一个“墨水”结合聚合物和碳纳米管在一种溶剂中。聚合物纳米管立即包装,结合在一个基本水平。
电极,它们使用无纺布碳纤维毡作为衬底。他们把垫浸入墨水,让它慢慢干,然后蘸一遍,重复这个过程,直到他们已经建立了一个统一的复合涂层的底物。这个过程的结果是提供大的表面积的多孔网状的活跃网站和容易的途径有限公司2分子进出。
一旦研究人员准备了醌和二茂铁电极,他们组装的电化电池层压块在正确的顺序——醌电极、电解液分离器,二茂铁电极,另一个分离器,第二醌电极。最后,他们用液体滋润组装细胞电解质盐。
实验结果
为了测试他们的系统的行为,研究人员把一个电化电池在一个定制的,密封的盒子和有线电能输入。然后他们骑车的电压和测量的关键反应和功能设备。电荷密度的同时趋势放入细胞和有限公司2吸附每摩尔的醌显示当醌电极带负电,有限的数量2吸附上升。当电荷逆转,有限公司2吸附下降。
更现实的条件下进行实验,研究人员还编造完整捕获单元——开放式模块几个细胞在排队,旁边另一个,他们之间的差距,有限公司2包含气体可以旅行,通过醌相邻细胞的表面。
在这两个实验系统,研究人员跑测试用进口流有限公司2浓度从10%降至0.6%。前者是典型的核电站排气,后者更接近室内环境空气中浓度。不管浓度,捕获的效率基本上是常数约为90%。(100%的效率意味着CO分子之一2捕获了每个电子转移——一个结果,哈顿称“极不可能”,因为其他寄生过程可以同时进行。)系统使用约每吨1阿省能源有限公司2被俘。其他方法消耗1 - 10每吨焦,根据有限公司2传入的气体的浓度。最后,系统是非常耐用。超过7000的充放电循环,它的有限公司2捕捉能力下降只有30%——失去能力,可以轻易地克服电极制备的进一步细化,研究人员说。
卓越的性能的系统源于Voskian所说的“二进制醌的关联公司的性质2。"醌具有高亲和力或根本没有亲和力。二进制亲和力”的结果就是我们的系统应该在治疗同样有效化石燃料燃烧烟气和局限或环境空气,”他说。
实际应用
实验结果证实electro-swing设备应该在很多情况下适用。设备紧凑、灵活;它是在室温和正常的气压;和它不需要大型、昂贵的辅助设备,只有直流电源。2022世界杯美洲区赛程表它的简单的设计应能使“即插即用”安装在许多过程,研究人员说。
它可以,例如,在密封的建筑翻新去除有限公司2。在大多数密封建筑,通风系统引入室外新鲜空气稀释股份有限公司2集中在室内。“但使空气交往频繁与外部需要大量的能量状态的空气,“哈顿说。“移除有限公司2在室内将减少所需的交流。”结果可以节省大量能源。同样,系统可以使用在密闭空间空气交换是不可能的——例如,在潜艇,航天器,和飞机——确保乘客不会呼吸太有限公司2。
electro-swing系统也可以与可再生能源,如太阳能和风能农场,甚至屋顶的太阳能电池板。这样的来源有时比需要产生更多的电力电网。而不是关闭,多余的电可以用来运行有限公司2捕捉植物。
研究者还开发了一个概念使用他们的系统在发电厂和其他设施,生成一个连续流动的废气含有有限公司2。在这样的网站上,对单位将并行工作。“一个是清空纯有限公司2它捕获,而另一种是捕获更多的公司2”,Voskian解释道。“然后你交换。”系统的阀门开关的气流刚把单位,而净化气体流经整个单位,携带有限公司2到一个单独的房间。
捕获的有限公司2可能是化学加工成燃料或者只是压缩并发送地下长期处理。如果净化气体也有限2,结果将是一个稳定的纯CO2软饮料制造商可以使用碳酸饮料和农民可以用来喂养植物在温室里。事实上,而不是燃烧化石燃料有限公司2,这样用户可以使用一个electro-swing单元生成自己的公司2同时删除有限公司2从空气中。
成本和扩大
研究人员还没有发布一个完整的technoeconomic分析,但他们项目资本+运营成本每吨50美元到100美元不等的有限公司2被俘。使用其他范围符合成本,灵活性低碳捕捉系统。方法制作electro-swing细胞也manufacturing-friendly:电极可以使用标准的化学处理方法和装配用“滚到滚”的工艺类似于印刷机。
系统可以根据需要扩大。根据Voskian,应该成线性比例:“如果你需要10倍捕捉能力,你只是制造电极的10倍。”在一起,他和哈顿和布莱恩·m·Baynes博士的报告,成立了一个叫Verdox的公司,他们计划表明,易于扩大通过开发一个试验工厂在未来几年内。
这项研究是由麻省理工学院能源倡议(想要)种子基金格兰特和埃尼S.p.A.通过想要。Sahag Voskian Eni-MIT能源研究员2016 - 17和2017 - 18。
这篇文章发表在2020年春季期能源期货,麻省理工学院能源倡议的杂志。
来源:http://www.mit.edu/