新型湿度驱动膜可去除空气中的二氧化碳

Josiah02 · 发表于 2024-7-22 10:41:11

　　直接空气捕获被认定为“改变世界的七种化学分离方法”之一。这是因为尽管二氧化碳是气候变化的主要因素（我们每年向大气中排放约 400 亿吨二氧化碳），但由于二氧化碳浓度较低（约 0.04%），从空气中分离二氧化碳非常具有挑战性。
　　英国皇家工程院新兴技术主席、纽卡斯尔大学工程学院首席研究员 Ian Metcalfe 教授表示：“稀释分离过程是最具挑战性的分离过程，主要有两个原因。首先，由于浓度低，去除稀释组分的化学反应动力学（速度）非常慢。其次，浓缩稀释组分需要大量能量。”
　　纽卡斯尔大学的研究人员（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）着手通过他们的新膜工艺解决这两个挑战。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传输，解决了动力学挑战。
　　这项研究发表在《自然能源》杂志上，英国皇家工程院院士、纽卡斯尔大学工程学院的 Greg A. Mutch 博士解释说：“直接空气捕获将成为未来能源系统的关键组成部分。它将需要捕获来自移动、分布式二氧化碳源的排放，而这些排放无法通过其他方式轻易脱碳。
　　“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，而无需热量或压力等传统能量输入。我认为一个有用的类比可能是面粉厂的水车。虽然磨坊使用下坡输送水来驱动研磨，但我们使用它来将二氧化碳从空气中抽出。”
　　分离过程
　　分离过程是现代生活大部分方面的基础。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多个分离过程。此外，分离过程对于最大限度地减少浪费和环境修复需求（例如直接捕获空气中的二氧化碳）至关重要。
　　然而，在一个向循环经济迈进的世界里，分离过程将变得更加重要。在这里，直接空气捕获可能被用来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，但在一个碳中性甚至碳负性的循环中。
　　最重要的是，除了向可再生能源转型和从发电厂等点源进行传统的碳捕获外，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。
　　湿度驱动膜
　　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，正如研究论文中所述，该团队测试了一种新的二氧化碳渗透膜，并在其上施加了各种湿度差异。当膜输出侧的湿度较高时，膜会自发将二氧化碳泵入该输出流中。”
　　研究团队与伦敦大学学院和牛津大学的研究人员合作，利用 X 射线微型计算机断层扫描技术，精确地表征了膜的结构。这使得他们能够与其他最先进的膜进行可靠的性能比较。
　　这项研究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一起利用密度泛函理论计算，确定了膜内的“载体”。
　　这种载体只运输二氧化碳和水，不运输其他物质。二氧化碳从膜中释放出来需要水，而二氧化碳释放出水也需要二氧化碳。因此，可以利用湿度差异产生的能量来驱动二氧化碳从低浓度通过膜，达到更高的浓度。
　　梅特卡夫教授补充道：“这是多年来团队共同努力的成果。我们非常感谢合作者的贡献，也感谢皇家工程院和工程与物理科学研究委员会的支持。”

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