纽卡斯尔科学家开发用于二氧化碳空气捕获的环境能量驱动膜
时间：2024-08-09 12:20:32
湿度驱动膜可以在没有任何能量输入的情况下从空气中去除二氧化碳。直接空气捕获已被确定为“改变世界的七种化学分离”之一。这是因为尽管二氧化碳是气候变化的主要贡献者，但由于其稀释浓度（~0.04%），从空气中分离二氧化碳非常具有挑战性。英国纽卡斯尔大学工程学院皇家工程院新兴技术系主任Ian Metcalfe教授解释说：“稀分离过程是最具挑战性的分离，有两个关键原因。首先，由于浓度低，旨在去除稀组分的化学反应的动力学（速度）非常慢。其次，浓缩稀释组分需要大量的能量。这是纽卡斯尔研究人员（与新西兰惠灵顿维多利亚大学、英国伦敦帝国理工学院、英国牛津大学、英国斯特拉斯克莱德大学和英国伦敦大学学院的同事）着手解决的新膜工艺的两个挑战。通过利用自然产生的湿度差异作为从空气中抽出二氧化碳的驱动力，该团队克服了能源挑战。水的存在也加速了二氧化碳通过膜的运输，解决了动力学挑战。“直接空气捕获将成为未来能源系统的关键组成部分。需要捕获移动的、分布式的二氧化碳源的排放，这些排放不能轻易地以其他方式脱碳，“英国纽卡斯尔大学工程学院皇家工程院院士Greg A. Mutch博士说。“在我们的工作中，我们展示了第一种能够从空气中捕获二氧化碳并增加其浓度的合成膜，而无需传统的能量输入，如热量或压力。我认为一个有用的类比可能是面粉厂上的水车。磨机使用水的下坡运输来驱动磨粉，而我们则用它来将二氧化碳从空气中抽出。分离过程是现代生活大多数方面的基础。从我们吃的食物，到我们服用的药物，再到我们汽车中的燃料或电池，我们使用的大多数产品都经过了几次分离过程。此外，分离过程对于最大限度地减少浪费和环境修复的需求非常重要，例如直接空气捕获二氧化碳。然而，在一个向循环经济迈进的世界中，分离过程将变得更加重要。在这里，直接空气捕获可用于提供二氧化碳作为原料，用于制造我们今天使用的许多碳氢化合物产品，但处于碳中性甚至负碳循环中。最重要的是，除了向可再生能源过渡和从发电厂等点源进行传统碳捕获外，直接空气捕获对于实现气候目标（例如《巴黎协定》设定的 1.5 °C 目标）也是必要的。英国纽卡斯尔大学工程学院高级讲师Evangelos Papaioannou博士解释说：“与典型的膜操作不同，正如研究论文中所描述的那样，该团队测试了一种新的二氧化碳渗透膜，该膜上施加了各种湿度差异。当膜输出侧的湿度较高时，膜会自发地将二氧化碳泵入该输出流中。与伦敦大学学院（UCL）和牛津大学（University of Oxford）的合作者使用X射线显微计算机断层扫描，该团队能够精确地表征膜的结构。这使他们能够与其他最先进的膜进行稳健的性能比较。这项工作的一个关键方面是在分子尺度上模拟膜中发生的过程。该团队与惠灵顿维多利亚大学和伦敦帝国理工学院的合作者使用密度泛函理论计算，确定了膜内的“载体”。该载体独特地运输二氧化碳和水，但仅此而已。需要水从膜中释放二氧化碳，而二氧化碳需要释放水。正因为如此，湿度差产生的能量可用于驱动二氧化碳通过膜从低浓度到高浓度。梅特卡夫教授补充说：“这是几年来真正的团队努力。我们非常感谢合作者的贡献，以及皇家工程院和工程与物理科学研究委员会的支持。
