化学家们展示了从空气中捕获二氧化碳的可持续方法

能源部橡树岭国家实验室的化学家们展示了一种直接从空气中捕获二氧化碳(CO2)的实用，节能方法。他们在Nature Energy上报道他们的发现。如果大规模部署并与地质封存相结合，该技术可能会加强对全球气候变化的响应组合。

“负面排放技术 - 用于净化大气中的温室气体 - 现在被认为是稳定气候所必需的，”ORNL的Radu Custelcean说，他构思并领导了这项研究。这一观点与国家科学院最近的一份报告的结论相呼应。“我们的直接空气捕获方法为能源可持续的负排放技术提供了基础，”他补充说。

该成就建立在化学家去年进行的原理验证研究的基础上，该研究通过双循环过程得到改善，该过程大大提高了CO2吸收的速度和容量，并完全回收了氨基酸吸附剂和胍化合物。

从源头上减少二氧化碳排放比从大气中回收二氧化碳排放更便宜，更容易。无论如何，现在认为必须大规模部署诸如直接空气捕获二氧化碳的技术，以将全球平均温度的上升限制在2摄氏度(~4华氏度)。

限制升温到2摄氏度需要从大气中汲取数十亿吨或千兆吨的二氧化碳。原则上，树木可以做到。然而，要以这种规模捕获二氧化碳，“你需要在印度大小的表面上种植树木，”Custelcean说。共同作者尼尔·威廉姆斯说，每年用工业洗涤器捕获一吨二氧化碳需要大约7,000平方公里(约2,700平方英里)，比夏威夷大岛要小。

对于最近的ORNL研究，Williams和FlavienBrethomé将氨基酸与水混合制成水性吸附剂以从空气中吸收二氧化碳。氨基酸比氢氧化钠或氢氧化钾或臭胺更安全，这是工业二氧化碳洗涤器中使用的吸附剂。

科学家们将他们的水性吸附剂放在家用加湿器中，以最大限度地增加空气和吸附剂之间的接触，从而加速吸收二氧化碳。一旦被吸收到液体中，CO 2形成碳酸氢盐。

同事Charles Seipp设计并合成了一种含有胍的有机化合物，这种化合物在蛋白质中常见，可以结合带负电荷的离子。Williams和Brethomé将Seipp的胍化合物添加到含有碳酸氢盐的负载氨基酸吸附剂溶液中，产生不溶性碳酸盐，从溶液中沉淀出来并再生氨基酸吸附剂，可以回收利用。

该研究的一个关键部分是由Custelcean和Michelle Kidder对该过程进行彻底的热力学分析，他确定了驱动每种化学反应需要多少能量。最后一步 - 从碳酸盐晶体释放二氧化碳，使其可以长期储存 - 对于开发能源可持续的过程尤为重要。由于二氧化碳与碳酸胍固体结合，因此可以在比现有捕集技术中使用的无机盐低得多的温度(80-160摄氏度，或176-320华氏度)下释放出来，这些技术要求温度超过800度C(1,472华氏度)释放二氧化碳。然而，分析表明从碳酸胍晶体释放CO2所需的热量仍然很大。

为了使整个过程具有可持续性，Custelcean决定采用集中太阳能。他购买了一个太阳能烤箱，通常用于使用抛物面镜烹饪食物以集中太阳光线。将碳酸胍晶体置于太阳能炉内的托盘上，在再生胍化合物再循环的过程中，在短短2分钟内释放出CO 2。

“使用可再生能源很重要，因为你想尽可能避免在试图捕获它的过程中产生更多的二氧化碳，”Custelcean说。他说，这项实验使用的是太阳能，但废热 - 例如来自空调和发电厂的废热 - 也会起作用。

展望未来，研究人员希望设计更简单，更有效的基于胍的吸附剂，并更好地了解直接空气捕获过程的结构，热力学和机械方面。

“到目前为止，我们制造的所有水晶都含有水合碳酸盐阴离子的水，”Custelcean解释说。“当你试图释放二氧化碳时，你也必须解吸水，这需要大部分能量。我们正在尝试设计下一代胍配体，将二氧化碳与'干'碳酸盐结合。”

ORNL的实验室规模流程目前可在24小时内捕获多达100克的二氧化碳。

研究人员申请了描述该过程的专利。在下一阶段，他们寻求工业合作伙伴，将工艺从台式试验扩展到试验工厂，最终扩大到全规模工业工厂。