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?dú)w功于在該省發(fā)明和測(cè)試的一種材料，該材料提供了一種從工業(yè)排放中去除二氧化碳的有效方法。

阿爾伯塔大學(xué)工程學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)由卡爾加里大學(xué)的 George Shimizu 領(lǐng)導(dǎo)的小組開發(fā)的一種捕獲CO 2 的微孔材料進(jìn)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(jī)骨架的微孔固體家族。

博士 學(xué)生 Tai Nguyen 和 A 大學(xué)化學(xué)與材料工程系副教授 Arvind Rajendran 測(cè)試了 CALF-20 的能力，以揭示其獨(dú)特的特性，使其成為 CO 2捕獲的絕佳候選者。Rajendran 解釋說(shuō)，在研究人員開始證明金屬和有機(jī)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(jī)框架背后的想法已經(jīng)存在了幾十年。

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

Rajendran 將排放物通過(guò)材料發(fā)送的過(guò)程比作一群人通過(guò)購(gòu)物區(qū)。

“你會(huì)開始看到，不喜歡購(gòu)物的人會(huì)往前走，而喜歡購(gòu)物的人會(huì)走得更慢，”他說(shuō)。

“最初，不喜歡購(gòu)物的人先出來(lái)。”

在排放物由氮?dú)夂?CO 2 組成的情況下，氮?dú)馐紫扰懦?，?CO 2則留在后面，附著在材料上。為了移動(dòng) 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(tǒng)。

“當(dāng)你提供熱量時(shí)，CO 2 會(huì)被釋放出來(lái)，我們可以開始以比你送進(jìn)來(lái)的更濃縮的形式收集它。”

解決實(shí)際問(wèn)題

然而，這些材料的問(wèn)題在于，雖然它們通常在實(shí)驗(yàn)室的受控范圍內(nèi)工作，但它們?cè)谟兴蚱渌s質(zhì)的情況下不起作用。這就是 Rajendran 的團(tuán)隊(duì)介入的地方。

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

Rajendran 補(bǔ)充說(shuō)，表征材料在有水的情況下如何表現(xiàn)所需的實(shí)驗(yàn)既具有挑戰(zhàn)性又費(fèi)力：“我們必須開發(fā)新技術(shù)，而且 Tai 需要極大的耐心來(lái)證明 CALF-20 濃縮 CO 2的非凡能力即使在有水的情況下。”

Rajendran 團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得到了渥太華大學(xué) Tom Woo 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用先進(jìn)分子模擬的證實(shí)。

Rajendran 解釋說(shuō)，碳捕獲材料的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，即使是最少量的排放副產(chǎn)品，如二氧化硫和一氧化二氮，也會(huì)破壞這些材料捕獲 CO 2的能力。

“CALF-20 的一大優(yōu)勢(shì)在于它可以在實(shí)際條件下工作數(shù)千小時(shí)，而之前幾乎所有其他開發(fā)項(xiàng)目都沒(méi)有，”他說(shuō)。

一旦濃縮，CO 2要么被壓縮并儲(chǔ)存在地質(zhì)層中，然后被推回到舊井中以提高石油采收率，要么轉(zhuǎn)換回燃料，例如甲醇，用于生產(chǎn)其他產(chǎn)品。

減少排放和成本

Zoramat Solutions 是一家位于卡爾加里大學(xué)的公司，將 CALF-20 放大到數(shù)公斤級(jí)，Innovate Calgary 將其授權(quán)給了 Svante，Svante 是位于不列顛哥倫比亞省本拿比的行業(yè)合作伙伴，該公司開發(fā)了一種商業(yè)流程。Svante 已經(jīng)證明該材料適用于工業(yè)環(huán)境，現(xiàn)在正在水泥廠以每天 1 噸的產(chǎn)能對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

“這可能是金屬有機(jī)框架的第一次大規(guī)模商業(yè)化，”Rajendran 說(shuō)。“這些是下一代碳捕獲技術(shù)，不僅可以減少 CO 2排放，還可以降低成本。通過(guò)合成和理論化學(xué)家、化學(xué)工程師和工業(yè)界的多機(jī)構(gòu)和跨學(xué)科合作，這些創(chuàng)新成為可能。”

他補(bǔ)充說(shuō)，這一時(shí)機(jī)恰逢省級(jí)舉措的推出，以減少行業(yè)的環(huán)境足跡，包括加拿大在埃德蒙頓地區(qū)啟動(dòng)的第一個(gè)氫中心，由三級(jí)政府提供超過(guò) 200 萬(wàn)加元的資金支持。該地區(qū)處于成功的有利位置，因?yàn)樗鼡碛惺澜缟献畹偷闹茪涑杀局?、現(xiàn)有的制氫經(jīng)驗(yàn)、龐大的管道基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)以及合適的現(xiàn)有碳捕集場(chǎng)地——所有這些都是升級(jí)所必需的將天然氣轉(zhuǎn)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(wàn)噸 CO 2，我們已經(jīng)成為這項(xiàng)技術(shù)的世界領(lǐng)先者，因?yàn)槲覀儞碛惺澜缟弦恍┳畲蟮氖痉对O(shè)施，”Rajendran 指出。

“開發(fā)新材料、相關(guān)工藝和擴(kuò)大工業(yè)示范的能力證明了艾伯塔省作為碳捕獲和儲(chǔ)存領(lǐng)域的世界領(lǐng)導(dǎo)者的地位。”

U of A 的研究得到了艾伯塔省創(chuàng)新戰(zhàn)略研究計(jì)劃獎(jiǎng)和 NSERC CREATE 贈(zèng)款的支持。

這項(xiàng)名為“一種可擴(kuò)展的金屬有機(jī)框架作為用于二氧化碳捕獲的耐用物理吸附劑”的研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。