紐卡斯?fàn)柨茖W(xué)家開發(fā)用于二氧化碳空氣捕獲的環(huán)境能量驅(qū)動膜
時間：2024-08-09 12:20:32
濕度驅(qū)動膜可以在沒有任何能量輸入的情況下從空氣中去除二氧化碳。直接空氣捕獲已被確定為“改變世界的七種化學(xué)分離”之一。這是因為盡管二氧化碳是氣候變化的主要貢獻(xiàn)者，但由于其稀釋濃度（~0.04%），從空氣中分離二氧化碳非常具有挑戰(zhàn)性。英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)工程學(xué)院皇家工程院新興技術(shù)系主任Ian Metcalfe教授解釋說：“稀分離過程是最具挑戰(zhàn)性的分離，有兩個關(guān)鍵原因。首先，由于濃度低，旨在去除稀組分的化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)（速度）非常慢。其次，濃縮稀釋組分需要大量的能量。這是紐卡斯?fàn)栄芯咳藛T（與新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)、英國倫敦帝國理工學(xué)院、英國牛津大學(xué)、英國斯特拉斯克萊德大學(xué)和英國倫敦大學(xué)學(xué)院的同事）著手解決的新膜工藝的兩個挑戰(zhàn)。通過利用自然產(chǎn)生的濕度差異作為從空氣中抽出二氧化碳的驅(qū)動力，該團(tuán)隊克服了能源挑戰(zhàn)。水的存在也加速了二氧化碳通過膜的運(yùn)輸，解決了動力學(xué)挑戰(zhàn)。“直接空氣捕獲將成為未來能源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。需要捕獲移動的、分布式的二氧化碳源的排放，這些排放不能輕易地以其他方式脫碳，“英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)工程學(xué)院皇家工程院院士Greg A. Mutch博士說。“在我們的工作中，我們展示了第一種能夠從空氣中捕獲二氧化碳并增加其濃度的合成膜，而無需傳統(tǒng)的能量輸入，如熱量或壓力。我認(rèn)為一個有用的類比可能是面粉廠上的水車。磨機(jī)使用水的下坡運(yùn)輸來驅(qū)動磨粉，而我們則用它來將二氧化碳從空氣中抽出。分離過程是現(xiàn)代生活大多數(shù)方面的基礎(chǔ)。從我們吃的食物，到我們服用的藥物，再到我們汽車中的燃料或電池，我們使用的大多數(shù)產(chǎn)品都經(jīng)過了幾次分離過程。此外，分離過程對于最大限度地減少浪費(fèi)和環(huán)境修復(fù)的需求非常重要，例如直接空氣捕獲二氧化碳。然而，在一個向循環(huán)經(jīng)濟(jì)邁進(jìn)的世界中，分離過程將變得更加重要。在這里，直接空氣捕獲可用于提供二氧化碳作為原料，用于制造我們今天使用的許多碳?xì)浠衔锂a(chǎn)品，但處于碳中性甚至負(fù)碳循環(huán)中。最重要的是，除了向可再生能源過渡和從發(fā)電廠等點(diǎn)源進(jìn)行傳統(tǒng)碳捕獲外，直接空氣捕獲對于實現(xiàn)氣候目標(biāo)（例如《巴黎協(xié)定》設(shè)定的 1.5 °C 目標(biāo)）也是必要的。英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)工程學(xué)院高級講師Evangelos Papaioannou博士解釋說：“與典型的膜操作不同，正如研究論文中所描述的那樣，該團(tuán)隊測試了一種新的二氧化碳滲透膜，該膜上施加了各種濕度差異。當(dāng)膜輸出側(cè)的濕度較高時，膜會自發(fā)地將二氧化碳泵入該輸出流中。與倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）和牛津大學(xué)（University of Oxford）的合作者使用X射線顯微計算機(jī)斷層掃描，該團(tuán)隊能夠精確地表征膜的結(jié)構(gòu)。這使他們能夠與其他最先進(jìn)的膜進(jìn)行穩(wěn)健的性能比較。這項工作的一個關(guān)鍵方面是在分子尺度上模擬膜中發(fā)生的過程。該團(tuán)隊與惠靈頓維多利亞大學(xué)和倫敦帝國理工學(xué)院的合作者使用密度泛函理論計算，確定了膜內(nèi)的“載體”。該載體獨(dú)特地運(yùn)輸二氧化碳和水，但僅此而已。需要水從膜中釋放二氧化碳，而二氧化碳需要釋放水。正因為如此，濕度差產(chǎn)生的能量可用于驅(qū)動二氧化碳通過膜從低濃度到高濃度。梅特卡夫教授補(bǔ)充說：“這是幾年來真正的團(tuán)隊努力。我們非常感謝合作者的貢獻(xiàn)，以及皇家工程院和工程與物理科學(xué)研究委員會的支持。
