碳捕獲材料可以幫助工業減少排放和成本

艾伯塔省在碳捕獲和封存方面的世界知名度將再次提升，這要歸功于在該省發明和測試的一種材料，該材料提供了一種從工業排放中去除二氧化碳的有效方法。

阿爾伯塔大學工程學院的一個團隊對由卡爾加里大學的 George Shimizu 領導的小組開發的一種捕獲CO 2 的微孔材料進行了表征，該材料可以吸引氣體分子并看到它們粘附在其表面。這種名為 Calgary framework-20 (CALF-20) 的材料屬于稱為金屬有機骨架的微孔固體家族。

博士 學生 Tai Nguyen 和 A 大學化學與材料工程系副教授 Arvind Rajendran 測試了 CALF-20 的能力，以揭示其獨特的特性，使其成為 CO 2捕獲的絕佳候選者。Rajendran 解釋說，在研究人員開始證明金屬和有機分子的組合(稱為連接體)具有從混合物中濃縮氣體的潛力之后，金屬有機框架背后的想法已經存在了幾十年。

在 CALF-20 的情況下，一克的表面積超過 500 平方米。這些材料可以裝在一個柱子中，就像催化轉化器一樣，基本上固定在煙囪的末端。

Rajendran 將排放物通過材料發送的過程比作一群人通過購物區。

“你會開始看到，不喜歡購物的人會往前走，而喜歡購物的人會走得更慢，”他說。

“最初，不喜歡購物的人先出來。”

在排放物由氮氣和 CO 2 組成的情況下，氮氣首先排出，而 CO 2則留在后面，附著在材料上。為了移動 CO 2以便材料可以重新使用，要么降低塔中的壓力并將濃縮的 CO 2抽真空，要么使用廢熱或蒸汽加熱系統。

“當你提供熱量時，CO 2 會被釋放出來，我們可以開始以比你送進來的更濃縮的形式收集它。”

解決實際問題

然而，這些材料的問題在于，雖然它們通常在實驗室的受控范圍內工作，但它們在有水或其他雜質的情況下不起作用。這就是 Rajendran 的團隊介入的地方。

“這種材料的創新之處在于它可以很好地處理水。這意味著在通過這種材料過濾氣體之前不必干燥氣體，從而減少了對大量能量的需求，”他說。

Rajendran 補充說，表征材料在有水的情況下如何表現所需的實驗既具有挑戰性又費力：“我們必須開發新技術，而且 Tai 需要極大的耐心來證明 CALF-20 濃縮 CO 2的非凡能力即使在有水的情況下。”

Rajendran 團隊進行的實驗得到了渥太華大學 Tom Woo 領導的研究小組使用先進分子模擬的證實。

Rajendran 解釋說，碳捕獲材料的另一個挑戰是，即使是最少量的排放副產品，如二氧化硫和一氧化二氮，也會破壞這些材料捕獲 CO 2的能力。

“CALF-20 的一大優勢在于它可以在實際條件下工作數千小時，而之前幾乎所有其他開發項目都沒有，”他說。

一旦濃縮，CO 2要么被壓縮并儲存在地質層中，然后被推回到舊井中以提高石油采收率，要么轉換回燃料，例如甲醇，用于生產其他產品。

減少排放和成本

Zoramat Solutions 是一家位于卡爾加里大學的公司，將 CALF-20 放大到數公斤級，Innovate Calgary 將其授權給了 Svante，Svante 是位于不列顛哥倫比亞省本拿比的行業合作伙伴，該公司開發了一種商業流程。Svante 已經證明該材料適用于工業環境，現在正在水泥廠以每天 1 噸的產能對其進行測試。

“這可能是金屬有機框架的第一次大規模商業化，”Rajendran 說。“這些是下一代碳捕獲技術，不僅可以減少 CO 2排放，還可以降低成本。通過合成和理論化學家、化學工程師和工業界的多機構和跨學科合作，這些創新成為可能。”

他補充說，這一時機恰逢省級舉措的推出，以減少行業的環境足跡，包括加拿大在埃德蒙頓地區啟動的第一個氫中心，由三級政府提供超過 200 萬加元的資金支持。該地區處于成功的有利位置，因為它擁有世界上最低的制氫成本之一、現有的制氫經驗、龐大的管道基礎設施網絡以及合適的現有碳捕集場地——所有這些都是升級所必需的將天然氣轉化為氫氣用作低碳燃料。

“在艾伯塔省，我們每年封存近 2 到 300 萬噸 CO 2，我們已經成為這項技術的世界領先者，因為我們擁有世界上一些最大的示范設施，”Rajendran 指出。

“開發新材料、相關工藝和擴大工業示范的能力證明了艾伯塔省作為碳捕獲和儲存領域的世界領導者的地位。”

U of A 的研究得到了艾伯塔省創新戰略研究計劃獎和 NSERC CREATE 贈款的支持。

這項名為“一種可擴展的金屬有機框架作為用于二氧化碳捕獲的耐用物理吸附劑”的研究發表在《科學》雜志上。