喬治亞理工學院的研究人員一直致力于簡化傳統(tǒng)直接空氣捕獲 (DAC) 系統(tǒng)。他們的方法是利用周圍的氣流將空氣吸過一種新型涂層碳纖維以吸收二氧化碳。這將消除許多系統(tǒng)中使用的大聲風扇。并且碳纖維束可以被快速加熱，以最小的熱量損失釋放捕獲的二氧化碳，從而提高效率。但他們一直在為如何使用這些新型的吸收劑涂層碳纖維以達到最大效果而苦苦掙扎。
“我要去銀行存一張支票，看到他們使用舊的氣動管來傳輸文件，”喬治亞理工學院化學與生物分子工程學院的 Thomas C. DeLoach的教授Ryan Lively說。“在你的職業(yè)生涯中，你沒有多少次有靈光一現(xiàn)的時刻，但我看到了這些管子，我意識到，我們可以把這些纖維放在類似銀行柜員管筒的東西中。我們基本上就是這么做的，而且很有效。”
以氣動管為靈感的模塊就位后，該團隊開始測試他們的系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)他們可以生產足夠純度的二氧化碳用于地下封存，并消除構建典型 DAC 系統(tǒng)的大量前期成本。他們在 6 月 12 日的Joule雜志上描述了他們的設計和方法。
受銀行管啟發(fā)的罐中的吸附劑涂層碳纖維。
圖片來源：喬治亞理工學院
“這項工作不僅概念化了新一代 DAC 系統(tǒng)，而且在一定程度上展示了我們發(fā)明的實際操作，”該論文的第一作者、Lively 實驗室的前博士后 Won Hee Lee 說。“我們已經使用我們的實驗室規(guī)模模塊成功捕獲了環(huán)境中的二氧化碳?，F(xiàn)在重要的是擴大模塊的規(guī)模。由于我們系統(tǒng)的所有組件都是市售的，而且制造相對容易，因此大規(guī)模制造模塊應該沒有什么技術障礙。”
至少在理論上，該團隊已經做到了擴大規(guī)模，使用他們的實驗數(shù)據(jù)來預測實際系統(tǒng)的經濟效益。他們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以以每噸 150 到 200 美元的價格捕獲二氧化碳，大大低于在建的商業(yè)系統(tǒng)，后者估計以每噸 300 到 600 美元的價格捕獲碳。
更簡單的方法
該研究的共同作者包括 ChBE 的研究人員，他們將喬治亞理工學院定位為直接空氣捕獲技術的領導者。Christopher Jones教授和Matthew Realff教授與 Lively 合作研究從分子到系統(tǒng)級別的DAC 的各個方面。這項工作提出了兩個關鍵進展。
DAC 系統(tǒng)利用熱量從飽和過濾材料中釋放二氧化碳。二氧化碳被收集起來，然后可以泵入地下或者可能用于制造燃料或化學品。通常，系統(tǒng)使用外部熱源。蒸汽是一種受歡迎的選擇，因為它快速而強大，但它也具有破壞性并且需要額外的冷凝步驟。這些系統(tǒng)還需要隔熱材料以防止所有熱量散失，因此它們體積龐大且價格昂貴。
Lively 和團隊創(chuàng)造了獨特的碳纖維束，上面涂有親碳吸附劑。碳纖維芯由內向外加熱，從而實現(xiàn)快速均勻的熱量分布。
Ryan Lively、Won Hee Lee（電腦屏幕中）、Christopher Jones 和 Matthew Realff 開發(fā)了基于光纖的 DAC 系統(tǒng)。
圖片來源：喬治亞理工學院
“纖維非常均勻。當你將所有這些連接到電氣系統(tǒng)時，你會非常均勻地分配能量，這對于電阻加熱系統(tǒng)來說是不尋常的，”Lively 說。“我們并不是第一個想到電阻加熱來再生碳捕獲裝置的人。但通常情況下，加熱不是很慢就是不均勻。有些地方你在加熱空氣，而不是你試圖加熱的東西。”
熱成像設備顯示碳纖維中的熱量分布。
圖片來源：喬治亞理工學院
研究人員的系統(tǒng)總體上使用的組件更少。該設計部署了一系列受銀行管啟發(fā)的模塊，這些模塊帶有圓形的碳纖維束，無論風向如何，都可以捕獲二氧化碳。該系統(tǒng)使用單個真空泵，在再生階段從一個模塊旋轉到另一個模塊。并且不需要蒸汽發(fā)生器、泵和冷凝器來釋放二氧化碳和“補充”股線。這兩項變化都意味著該系統(tǒng)總體上更簡單，并且前期構建和部署成本更低。
“由于缺乏蒸汽產生等輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)的投資成本明顯低于目前許多DAC系統(tǒng)。”Realff 說。“能源成本仍然是一個挑戰(zhàn)，我們需要增加我們可以在設備中吸附的二氧化碳量，這樣纖維的顯熱不會消耗太多的總熱量。”
但 Realff 表示，該系統(tǒng)的快速加熱和快速循環(huán)為更高效的直接空氣捕獲方法帶來了巨大希望：“事實上，我們可以生產一個工作原型并在幾個月內在實驗規(guī)模上進行演示，這是該技術的一個顯著特點。”
一位藝術家的渲染圖展示了風電場中 DAC 系統(tǒng)的安裝。
圖片來源：Nicolle Fuller
理想情況下，該團隊的 DAC 系統(tǒng)可以與風力發(fā)電場一起使用來自風力渦輪機的可再生能源。但即使使用當前電網(wǎng)的電力，Reallf 的分析表明該團隊的設計仍會從大氣中去除足夠多的二氧化碳以實現(xiàn)負碳排放。
該團隊方法的另一個優(yōu)勢是碳纖維束。該材料具有合適的機械和電氣性能，而且很容易獲得，可以持續(xù)大批量生產，而且價格也不貴。
現(xiàn)在，該團隊正在尋求提高他們可以生產的二氧化碳的質量。他們已經達到 80% 的純度——足以用于地下儲存，但他們希望達到 99% 的純度以進行生產再利用，例如制造化學品或燃料。他們正在與佐治亞理工學院合作，以實現(xiàn)這一目標來改進和自動化他們的系統(tǒng)，并且他們正在努力在校園建筑的頂部安裝一個測試系統(tǒng)。
“我在 DAC 領域工作了十多年，幾乎我見過的所有設計都主要依靠熱能進行解吸，”同時也是 ChBE 的 John F. Brock III 學校主席的Jones說。“一種允許快速、局部供暖和使用可再生電力的技術擴展了 DAC 技術開發(fā)商的設計選擇范圍。”
