美國橡樹嶺實驗室開發(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，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的科學家們開發(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。

這究竟是如何實現(xiàn)的呢？利用3D打印技術，研究人員將一個熱交換器和一個質(zhì)量交換接觸器結合起來，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移到液體狀態(tài)，提高其碳保留率。測試結果表明，通過使用ORNL團隊的3D打印新組件，可以吸收工業(yè)過程中產(chǎn)生的高達20%的二氧化碳。

該項目的首席研究員Xin Sun說："在設計我們的3D打印裝置之前，由于柱子填料元件的幾何形狀復雜，很難在二氧化碳吸收柱中實現(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重要。"

ORNL團隊的多功能裝置（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60年代。

為了實施吸收策略，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合，其反應使其被另一種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。擴大溶劑的表面積可以通過通道式、結構化的填料，或小環(huán)等形狀的隨機填料來實現(xiàn)。結構化溶劑是CCS的最佳選擇，因為它們引導流體通過重復的流動路徑，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。這種方法的缺點是其復雜性增加，往往導致實施成本增加。

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ORNL的Carlos Jones

ORNL的3D打印冷卻策略

利用3D打印，ORNL團隊創(chuàng)建了一個裝置，將兩個獨立的功能結合到一起。ORNL團隊使用鋁材3D打印了他們的原型，并將該裝置設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。

設計該組件的ORNL研究員Lonnie Love補充道："該裝置可以使用其他材料制造，例如新興的高導熱聚合物和金屬。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，因為與傳統(tǒng)的制造方法相比，打印一個部件需要更少的精力和能量。"

事實證明，該團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ORNL

為了測試他們的原型，ORNL團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果顯示，該團隊的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%，相當于360SLPM的空氣和90SLPM的二氧化碳被他們的吸收劑捕獲。

進一步的測試表明，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論，進一步優(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會，并證明了概念的證明，"Sun總結道。

研究人員的研究結果詳見他們發(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。