2019-12-11

對抗暖化的新科技 從大氣中收集二氧化碳

麻省理工學院(MIT)開發出一種可從空氣中去除二氧化碳的新方法,有機會成為對抗氣候變遷的利器。過去僅有處理高濃度二氧化碳的技術,目前雖然也有一些可應用於低濃度二氧化碳的新技術,但是MIT的新方法更省能源,成本也較低。

如果從其他氣體流中去除二氧化碳,大多數方法都需要相當高濃度的二氧化碳,如化石燃料發電廠排煙管,而MIT的新技術可以應用在幾乎任何濃度的二氧化碳,甚至可低至400ppm。研究人員說,目前已經有一些可應用於低濃度的新技術,但是MIT的新方法耗能較低、成本也較低。MIT博士後研究員沃斯基安(Sahag Voskian)在博士班期間開發出這個系統。他和化工學系教授哈頓(T. Alan Hatton)將本研究發表於《能源與環境科學》(Energy and Environmental Science) 期刊。

 

這個新技術的基本流程是讓空氣通過一組帶電的電化學板。整個設備是個可從空氣或其他氣體流中吸收二氧化碳的大型特殊電池,充電時空氣流過其電極,放電時釋放出氣體。運作時,該設備就是不斷重複充電跟放電,充電時將新鮮空氣或原料氣體吹入系統,放電過程中吹出純濃縮二氧化碳。隨著電池充電,電極堆中每一個電極的表面發生電化學反應。這些電極上塗著奈米碳管複合而成的聚蒽醌(polyanthraquinone)。這些電極對二氧化碳具有天然的親和力,即使在濃度很低的情況下也很容易與空氣或進料氣體中的分子發生反應。電池放電時會發生逆反應,在此過程中,該設備可以提供整個系統所需的部分電源,並且可以噴射出純的二氧化碳。整個系統在室溫和正常氣壓下運行。

 

沃斯基安解釋:「與大多數其他碳捕獲或碳吸收技術相比,這個技術的最大優勢是吸附劑對二氧化碳的親和力具有二元性質。」也就是說,電極材料的性質「要不親和力很高,要不沒有親和力」,取決於電池的充電或放電狀態。其他碳捕獲技術的反應則需要中間化學處理步驟或熱量、壓力差等能量輸入。而這種二元親和力可以捕獲任何濃度的二氧化碳,包括400ppm,並可釋放到任何載流中,包括100%二氧化碳。

 

讓空氣通過一組帶電的電化學板,即可輕易地吸取二氧化碳。照片來源/MIT新聞稿

 

部分軟性飲料裝瓶廠會燃燒化石燃料以產生二氧化碳,用於製作氣泡飲料。同樣地,有些農民會燃燒天然氣產生二氧化碳,飼育溫室裡的植物。沃斯基安說,新系統可以讓這些應用不再需要化石燃料,也可以將溫室氣體從空氣中清除。或者也可以將純二氧化碳氣流壓縮,注入地下以進行長期處理,甚至透過一系列化學和電化學過程製成燃料。

 

這個系統捕獲和釋放二氧化碳的過程都是革命性的進展,因為所有過程都在室溫發生,不需要熱、壓力或化學輸入,只需這些兩個表面都能作用的薄片,可以堆疊在盒子中並接上電源。在工廠中,像是會不斷產生廢氣的發電廠,可以並排設置兩組這樣的電化學電池堆同時交替運作,將煙氣導向第一組進行碳捕集,第一組進入放電狀態時就導到第二組,如此系統可以一直同時捕獲和排出氣體。在實驗室中,該團隊已經證明該系統可以承受至少7,000次充放電循環,在這段時間內效率損失30%。研究人員估計,他們可以輕鬆地將其提高到20,000至50,000個循環。

 

電極本身可以用標準化學處理方法製造。沃斯基安說,雖然目前製造工作仍是在實驗室環境中完成,但可以調整成用類似報紙印刷機的卷對卷製造工藝大量生產。他說:「我們已經開發出非常具有成本效益的技術,」他估計,這種材料的生產成本大約為每平方公尺的電極數十美元。與其他現有的碳捕獲技術相比,該系統能源效率很高,每捕獲一噸二氧化碳使用約10億焦耳(1 GJ)的能量,而且始終如一。沃斯基安說,其他現有方法的能耗依進氣二氧化碳濃度不同,每噸介於10億到100億焦耳(10 GJ)之間。

 

研究人員成立了一家名叫Verdox的公司,以將該技術商業化,並希望在未來幾年內打造出先導性規模的工廠。該系統非常容易擴展。沃斯基安說:「如果需要更大的容量,只需要製造更多的電極即可。」

 

※ 全文及圖片詳見:ENS


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本文轉載自台灣環境資訊協會
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