科学家发现常见粘土材料或有助于抑制甲烷的排放

发表于 3年以前 | 总阅读数：549 次

现在，麻省理工学院(MIT)的一个研究小组已经想出了一种非常的方法来控制甲烷排放并将其从空气中清除，其使用的是一种廉价而丰富的粘土--被称为泡沸石。这些发现已发表在《ACS Environment Au》上，文章由博士生Rebecca Brenneis、副教授Desiree Plata及另外两人撰写。

Plata称，尽管许多人将大气中的甲烷跟石油和天然气的钻探和压裂联系起来，但这些来源只占全球甲烷排放量的18%左右。绝大多数排放的甲烷来自诸如刀耕火种的农业、奶牛养殖业、煤炭和矿石开采、湿地和永久冻土的融化等来源。她说道：“进入大气层的很多甲烷都是来自分布式的扩散源，所以我们开始思考如何能将其从大气层中取出。”

研究人员发现的答案是一种很便宜的东西--事实上，是一种特殊的“泥土”或粘土。他们使用了泡沸石粘土，这种材料非常便宜，目前被用来制造猫砂。研究小组发现，用少量的铜来处理泡沸石，能够让这种材料非常有效地吸收空气中的甲烷-即使是在极低的浓度下。

尽管在工程细节上还有很多工作要做，但该系统在概念上非简单。在实验室测试中，类似于猫砂的铜增强泡沸石材料的微小颗粒被装入一个反应管中，然后在甲烷含量从百万分之二到百分之二的气体流经该管时，从外部加热。这一范围涵盖了大气中可能存在的一切，低至不能直接燃烧或燃烧的亚可燃水平。

Plata指出，跟其他从空气中去除甲烷的方法相比，该工艺有几个优势。其他方法往往使用昂贵的催化剂如铂或钯，它们需要至少600摄氏度的高温，并且往往需要在富含甲烷的气流和富含氧气的气流之间进行复杂的循环，由于甲烷和氧气本身和结合起来都是高度可燃的，所以这意味着设备更加复杂、风险更大。

Brenneis表示：“他们运行这些反应器的600度温度使得在甲烷周围几乎是危险的。他们通过创造一种会发生爆炸的情况来解决这个问题。”其他工程上的复杂问题也来自于高操作温度。不足为奇的是，这样的系统并没有找到多少用途。

至于新工艺，“我认为我们仍对它的效果感到惊讶，”Plata说道。据了解，这种工艺似乎在约300摄氏度时有其峰值效力，这需要比其他甲烷捕获工艺少得多的加热能源。它还可以在比其他方法更低的甲烷浓度下工作，甚至是1%的小分量，而大多数方法都无法去除，并且是在空气中而不是在纯氧中进行，这对于现实世界的部署是一个重大优势。

这种方法使用的将甲烷转化为二氧化碳这听起来可能是一件坏事，因为全世界都在努力打击二氧化碳排放。对此，Plata表示：“很多人听到‘二氧化碳’就会惊慌失措；他们说‘这很糟糕’。”但她指出，二氧化碳在大气中的影响比甲烷要小得多，甲烷作为温室气体在头20年内约强80倍，在头一个世纪内约强25倍。这种影响产生于这样一个事实，即甲烷在大气中随着时间的推移会自然地变成二氧化碳。她说，通过加速这一过程，这种方法将大大减少近期的气候影响。而且，即使将大气中一半的甲烷转化为二氧化碳也会使后者的水平增加不到百万分之1（约为今天大气中二氧化碳的0.2%），与此同时，还能节省约16%的总辐射变暖。

该小组认为，这种系统的理想位置是在有相对集中的甲烷来源的地方，如乳品仓库和煤矿。这些来源已经倾向于有强大的空气处理系统，因为甲烷的积聚可能是一个火灾、健康和爆炸的危险。为了克服悬而未决的工程细节，该团队刚刚从美国能源部获得了一笔200万美元的拨款以继续开发用于在这些类型的地点清除甲烷的具体设备。

她说道：“开采空气的关键优势是，我们会移动大量的空气。你必须把新鲜空气拉进来使矿工能够呼吸并减少富集的甲烷袋的爆炸风险。因此，在矿井中移动的空气量是巨大的。”她继续指出，甲烷的浓度太低，无法点燃，但它是在催化剂的最有效点。

将该技术适用于特定地点应该是相对简单的。Plata表示，团队在测试中使用的实验室设置包括“只有几个组件，而你放在牛棚里的技术也可能相当简单。”然而，大量的气体并不那么容易在粘土中流动，因此下一阶段的研究将集中在如何将粘土材料构造成多尺度、分层次的配置以帮助空气流动。

斯坦福大学地球系统科学教授Rob Jackson指出：“我们需要新的技术来氧化甲烷，其浓度低于火炬和热氧化器中使用的浓度。今天还没有一种具有成本效益的技术来氧化浓度低于约2000ppm的甲烷。”据悉，他没有参与这项研究。

另外，他还补充称：“对于扩大这项工作和所有类似工作的规模仍存在许多问题。催化剂在现场条件下会有多快变质？我们能否使所需的温度更接近环境条件？当处理大量的空气时，这种技术的可扩展性如何？”

新系统的一个潜在的主要优势是所涉及的化学过程释放热量。通过催化氧化甲烷，实际上该过程是一种无火焰的燃烧形式。如果甲烷浓度高于0.5%，释放的热量就会大于用于启动该过程的热量，而这些热量可以用来发电。

Plata指出，该团队的计算表明--“在煤矿，你有可能产生足够的热量以发电厂的规模发电，这是很了不起的，因为这意味着该设备可以为自己付费。大多数空气捕集解决方案要花费很多钱且永远不会有利润。我们的技术有一天可能会成为一个反例。”

此外，她还表示，通过利用新的拨款，“在未来18个月里，我们的目标是展示一个概念证明，这可以在现场工作，”而那里的条件可能比实验室里更具有挑战性。最终，他们希望能制造出跟现有空气处理系统兼容的设备，并且可以简单地作为一个额外的组件添加到地方。Plata说道：“煤矿的应用是为了达到三年后你可以交给商业建筑商或用户的阶段。”