美国橡树岭实验室开发出3D打印的二氧化碳捕获装置

2020年8月25日，南极熊从外媒获悉，美国橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家们开发出一种新型的3D打印装置，能够在燃烧化石燃料时捕获更多的二氧化碳。

这究竟是如何实现的呢？利用3D打印技术，研究人员将一个热交换器和一个质量交换接触器结合起来，成为一个多功能的二氧化碳吸收装置。这个装置的原位冷却功能可以让更多的二氧化碳从气体转移到液体状态，提高其碳保留率。测试结果表明，通过使用ORNL团队的3D打印新组件，可以吸收工业过程中产生的高达20%的二氧化碳。

该项目的首席研究员Xin Sun说："在设计我们的3D打印装置之前，由于柱子填料元件的几何形状复杂，很难在二氧化碳吸收柱中实现热交换器的概念，通过3D打印，质量交换器和热交换器可以共存于一个多功能的强化装置中。”

"此外，研究表明，控制吸收的温度对捕获二氧化碳至关重要。"

ORNL团队的多功能装置（如图）能够比现有的同类装置捕获更多的碳排放，照片来自 ORNL

吸收和减少二氧化碳排放

碳收集与封存（CCS）是控制一些工业过程中二氧化碳排放的重要方法，也是应对气候变化的重要武器。而吸收法既是目前最廉价的CCS方法，也是探索最多的方法，对碳吸收的研究可以追溯到20世纪60年代。

为了实施吸收策略，需要将含有二氧化碳的烟气流与对二氧化碳具有化学亲和力的溶剂直接接触。一乙醇胺(MEA)是一种常用的溶剂，它能够与二氧化碳分子结合，其反应使其被另一种MEA分子快速而有利地取代。因此，MEA的吸收能力使其成为捕捉有毒排放物的理想选择。

鉴于CCS需要CO2扩散到大量液体中，因此也希望最大限度地增加气流和液体溶剂之间的接触面积。扩大溶剂的表面积可以通过通道式、结构化的填料，或小环等形状的随机填料来实现。结构化溶剂是CCS的最佳选择，因为它们引导流体通过重复的流动路径，优化吸收能力。

尽管MEA洗涤是一种有据可查的方法，但由于其随温度变化而退化的趋势，它还没有被广泛采用。在高温下，CO2的溶解度降低，从而降低了其吸收能力，并限制了溶剂的装载量。在温度高于80℃时，60%～80%的二氧化碳被释放，大大阻碍了MEA控制碳排放的能力。

级间冷却被誉为解决MEA过热问题的方法。以往的研究表明，抽掉溶剂并通过热交换器，可以减少因温度变化而损失的二氧化碳量。这种方法的缺点是其复杂性增加，往往导致实施成本增加。

ORNL的研究人员使用3D打印来优化他们的装置，以提高二氧化碳的吸收能力，图片来自ORNL的Carlos Jones

ORNL的3D打印冷却策略

利用3D打印，ORNL团队创建了一个装置，将两个独立的功能结合到一起。ORNL团队使用铝材3D打印了他们的原型，并将该装置设计成在波纹片之间嵌入冷却剂通道。最终的多功能装置直径为20.3厘米，高度为14.6厘米，内部冷却剂通道的总体积为600毫升。

设计该组件的ORNL研究员Lonnie Love补充道："该装置可以使用其他材料制造，例如新兴的高导热聚合物和金属。随着时间的推移，3D打印等增材制造方法通常具有成本效益，因为与传统的制造方法相比，打印一个部件需要更少的精力和能量。"

事实证明，该团队的多功能装置能够在测试过程中捕获20%的二氧化碳排放，图片来自ORNL

为了测试他们的原型，ORNL团队将其安装在一个高度为2.06米、直径为20.3厘米的吸收柱上。鉴于在他们的装置附近积累热量需要相当长的时间，研究人员将溶剂加热到70℃，然后再从下往上将它们泵入柱中。

使用二氧化碳测量仪获得的测量结果显示，该团队的3D打印装置比商业上可用的冷却替代品更具吸收力。在其峰值时，总二氧化碳浓度的20%，相当于360SLPM的空气和90SLPM的二氧化碳被他们的吸收剂捕获。

进一步的测试表明，在冷却前将气流速度降低到264 SLPM，发现可以提高捕获率，高达94%的碳被吸收。相比之下，该装置的热性能无法与商业热交换器相媲美，而且它的最佳工作温度40℃以下也无法冷却。

不过，不管该装置的热能缺陷如何，ORNL的研究人员还是得出结论，进一步优化该装置的几何形状，还可以在吸收二氧化碳的量上有更大的改善。"这种3D打印强化装置的成功代表了提高二氧化碳吸收效率的一个前所未有的机会，并证明了概念的证明，"Sun总结道。

研究人员的研究结果详见他们发表在AIChE杂志上的题为  “Process intensification of CO2 absorption using a 3D printed intensified packing device,”的论文。该报告由Eduardo Miramontes、Ella A. Jiang、Lonnie J. Love、Canhai Lai、Xin Sun和Costas Tsouris共同撰写。