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

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。