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美國西北大學(xué)開發(fā)出了一種用于直接空氣碳捕集(DAC)的"濕度擺動(dòng)"技術(shù)，該技術(shù)利用一系列離子在低濕度時(shí)捕集二氧化碳，并在高濕度時(shí)釋放二氧化碳。這項(xiàng)研究加深了人們對(duì) DAC 的理解，并提供了一種比傳統(tǒng)技術(shù)更節(jié)能的碳捕獲方法。
隨著全球社會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的去碳化，不僅要防止大氣中產(chǎn)生新的碳，還要提取已經(jīng)存在的二氧化碳。
傳統(tǒng)的碳捕集側(cè)重于在重碳工藝中從排放點(diǎn)收集二氧化碳，而"直接空氣捕集"(DAC)則是在一般大氣條件下提取碳。這種方法在應(yīng)對(duì)氣候變化的斗爭中變得越來越重要，特別是隨著我們對(duì)化石燃料依賴的減少，從源頭捕集碳的必要性也在降低。利用濕度技術(shù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了幾種有助于低能耗碳封存的新離子。
美國西北大學(xué)的最新研究展示了一種從周圍環(huán)境條件中捕捉碳的新方法，該方法研究了系統(tǒng)中水和二氧化碳之間的關(guān)系，為"濕度擺動(dòng)"技術(shù)提供了參考，該技術(shù)在低濕度時(shí)捕捉二氧化碳，在高濕度時(shí)釋放二氧化碳。這種方法結(jié)合了創(chuàng)新的動(dòng)力學(xué)方法和多種離子，幾乎可以從任何地方去除碳。
這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》雜志上。
該研究的資深作者、西北大學(xué)的 Vinayak P. Dravid 說："我們不僅擴(kuò)大和優(yōu)化了碳捕集離子的選擇，還有助于揭示復(fù)雜的流體-表面相互作用的基本原理。這項(xiàng)工作推進(jìn)了我們對(duì) DAC 的集體理解，我們的數(shù)據(jù)和分析為理論家和實(shí)驗(yàn)家進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)際條件下的碳捕集提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。"
德拉維德是西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系亞伯拉罕-哈里斯教授，也是國際納米技術(shù)研究所全球倡議主任。博士生約翰-赫加蒂(John Hegarty)和本杰明-辛德爾(Benjamin Shindel)是論文的共同第一作者。
辛德爾說，論文背后的想法來自于利用環(huán)境條件促進(jìn)反應(yīng)的愿望。"我們喜歡濕擺式碳捕集，因?yàn)樗鼪]有明確的能源成本，盡管對(duì)一定量的空氣進(jìn)行加濕需要一定的能量，但理想情況下，你可以'免費(fèi)'獲得濕度，在能量上可以依靠一個(gè)天然的干濕空氣庫相鄰的環(huán)境"。
新離子促進(jìn)了碳捕獲。資料來源：德拉維德實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)
該研究小組還擴(kuò)大了用于使反應(yīng)成為可能的離子數(shù)量。
約翰-赫加蒂說："我們不僅將能夠?qū)崿F(xiàn)理想的濕度碳捕獲的離子數(shù)量增加了一倍，而且還發(fā)現(xiàn)了迄今為止性能最高的系統(tǒng)。"
近年來，濕度擺動(dòng)捕集技術(shù)已經(jīng)開始興起。傳統(tǒng)的碳捕集方法使用吸附劑在源點(diǎn)位置捕集二氧化碳，然后利用熱量或產(chǎn)生的真空將二氧化碳從吸附劑中釋放出來。這種方法的能源成本很高。
傳統(tǒng)的碳捕集方法會(huì)緊緊抓住二氧化碳，這意味著需要大量能源才能將其釋放并重新利用。這種方法也不是在所有地方都適用。例如，農(nóng)業(yè)、混凝土和鋼鐵制造商是主要的排放源，但它們的占地面積很大，因此不可能從單一來源捕集碳。較富裕的國家應(yīng)努力將排放量降到零以下，而更依賴碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中國家則應(yīng)減少二氧化碳的生產(chǎn)。
另一位資深作者、化學(xué)教授奧馬爾-法爾哈(Omar Farha)在探索金屬氧化物框架(MOF)結(jié)構(gòu)在二氧化碳捕集和封存等多種應(yīng)用中的作用方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。
"DAC是一個(gè)復(fù)雜的多方面問題，需要跨學(xué)科的方法，"Farha說。"我對(duì)這項(xiàng)工作的欣賞之處在于對(duì)復(fù)雜參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)而仔細(xì)的測量。任何提議的機(jī)制都必須解釋這些錯(cuò)綜復(fù)雜的觀測結(jié)果。"
過去的研究人員一直專注于碳酸根離子和磷酸根離子來促進(jìn)水分?jǐn)[動(dòng)捕獲，并對(duì)這些特定離子有效的原因提出了具體的假設(shè)。但德拉維德的研究小組希望測試更廣泛的離子，觀察哪些離子最有效?？偟膩碚f，他們發(fā)現(xiàn)價(jià)態(tài)最高的離子--主要是磷酸鹽最有效，于是他們開始尋找多價(jià)離子，排除了一些離子，并找到了對(duì)這種應(yīng)用有效的新離子，包括硅酸鹽和硼酸鹽。
研究小組相信，未來的實(shí)驗(yàn)加上計(jì)算建模將有助于更好地解釋為什么某些離子比其他離子更有效。
目前已經(jīng)有公司致力于將直接空氣碳捕集商業(yè)化，利用碳信用額激勵(lì)公司抵消排放。許多公司捕捉的是通過改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等活動(dòng)已經(jīng)捕捉到的碳，而這種方法可以明確地直接從大氣中封存二氧化碳，然后將其濃縮并最終儲(chǔ)存或再利用。
德拉維德的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將這種二氧化碳捕集材料與他們?cè)缦乳_發(fā)的多孔海綿平臺(tái)結(jié)合起來，以清除包括石油、磷酸鹽和微塑料在內(nèi)的環(huán)境毒素。
原標(biāo)題：科學(xué)家展示可直接從空氣中提取二氧化碳的新型碳捕集方法
