科学家展示捕获二氧化碳的新方法以马拉松式研究努力推动成本下降

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在2021年3月版的《国际温室气体控制杂志》上发表的一项研究中，来自美国能源部太平洋西北国家实验室的研究人员--以及来自福陆公司和电力研究所的合作者--描述了被称为EEMPA的溶剂的特性，使其能够避开传统溶剂所产生的能源上的昂贵需求。

"EEMPA具有一些有前途的品质，"该研究的主要作者化学工程师袁江说。"它可以在不含高水的情况下捕获二氧化碳，所以它是水溶性的，而且它的粘性比其他水溶性溶剂小得多。"

碳捕获方法是多种多样的。它们的范围从水胺--富含水的溶剂，贯穿于当今市面上的捕捉装置--到从发电厂排放的烟气中过滤二氧化碳的节能膜。

当前大气中的二氧化碳含量近年来飙升，比过去80万年内的任何时候都要高，2019年创下了409.8ppm的新高。二氧化碳主要是通过化石燃料燃烧等人类活动释放出来的，如今的大气浓度超过工业化前水平47%。

根据能源部的分析，以每台成本4-5亿美元计算，商业技术可以捕获碳，每吨二氧化碳的价格大约为58.30美元。根据袁江的研究，EEMPA可以从电厂烟气中吸收二氧化碳，之后以纯二氧化碳的形式释放出来，价格仅为每公吨47.10美元，为电厂运营商提供了一个额外的二氧化碳捕获技术选择。

袁江的研究描述了电厂在使用EEMPA时可以采用的七种流程，从类似于20世纪30年代技术中描述的简单设置，到更复杂的多级配置。袁江模拟了在一个550兆瓦的煤电厂中运行这些工艺的能源和材料成本，发现每种方法的成本都凝聚在每吨47.10美元左右。

解决溶剂的问题

最早已知的溶剂型碳捕获技术专利之一出现在1930年，由Robert Bottoms申请。“我不是开玩笑，”新研究的共同作者，绿色化学家David Heldebrant说。“91年前，Bottoms使用几乎相同的工艺设计和化学方法来解决我们现在所知道的21世纪的问题。”

从燃烧后的气体中提取二氧化碳的化学过程基本上没有改变：富含水的胺类与烟气混合，吸收二氧化碳，随后从气体中剥离，然后将其压缩并储存。但水胺也有局限性。因为它们富含水分，所以必须在高温下煮沸以去除二氧化碳，然后冷却后才能重复使用，从而使成本上升。

"我们想从另一个侧面打听一下，为什么我们不使用21世纪的化学来解决这个问题？" Heldebrant说。于是，在2009年，他和他的同事们开始设计无水溶剂作为替代方案。最初的几种溶剂都太粘稠，无法使用。

他回忆说：“你看，行业合作伙伴说：‘你的溶剂正在冻结，并变成玻璃。我们不能用这种溶剂。’所以，我们说，好吧。接受挑战。”

在接下来的十年里，PNNL团队改进了溶剂的化学成分，其明确目标是克服 "粘度障碍"。结果发现，关键是使用分子以促进内部氢键的方式排列，留下较少的氢原子与邻近分子相互作用。

Heldebrant用孩子们跑过球坑做了一个比较：如果两个孩子在通过时互相握住对方的手，他们就会缓慢移动。但如果他们改握自己的手，他们就会作为两个较小的、移动较快的物体通过。内部氢键也会使整体上相互作用的氢原子减少，类似于把球从坑里移走。

转向塑料

该团队的溶剂曾经像蜂蜜一样粘稠，现在却像水壶里的水一样流动。EEMPA的粘度比PNNL以前的水净配方低99%，现在几乎与商业溶剂相当，可以在现有的基础设施中加以利用，而现有的基础设施主要是由钢材建造的。研究小组发现，转而使用塑料代替钢材，可以进一步降低设备成本。

钢材生产成本高，运输成本高，而且与溶剂接触时间长了容易腐蚀。根据袁江在2019年领导的一项研究，以十分之一的重量，用塑料代替钢材可以使整体成本再降低5美元/吨。

与塑料的搭配为EEMPA提供了另一个优势，其反应表面积在塑料体系中得到提升。因为传统的水性胺不能很好地 "湿润 "塑料，这种优势是新溶剂所独有的。

PNNL团队计划在2022年生产4000加仑的EEMPA，在阿拉巴马州谢尔比县国家碳捕集中心的测试设施内以0.5兆瓦的规模进行分析，该项目由电力研究所与国际三角研究所合作领导。他们将继续以越来越大的规模进行测试，并进一步完善溶剂的化学成分，目的是达到美国能源部的目标，即到2035年部署可以以每吨30美元的成本捕获二氧化碳的商业化技术。