发布时间：2024-11-15
第一作者：王永强
通讯作者：丁辉，Gang Kevin Li（李刚），Paul Webley
通讯单位：墨尔本大学，天津大学，莫纳什大学
图片摘要
成果简介
近日，天津大学环境学院丁辉与墨尔本大学的Gang Kevin Li（李刚）副教授联合培养的博士生王永强在著名学术期刊Nature Communications上发表了题为“Distributed direct air capture of carbon dioxide by synergistic water harvesting”的论文。针对直接空气捕集（Direct air capture, DAC）二氧化碳所存在的吸附剂再生难和能耗高的问题，文中设计一种基于双层吸附床的原位蒸汽促进脱附（vapor-promoted desorption，VPD）策略，通过从空气中协同吸附水进行原位蒸汽吹扫为二氧化碳脱附提供额外驱动力。使用太阳能作为热源，该技术能够回收超90%被吸附的二氧化碳，降低了20%以上的再生能耗，并且实现了二氧化碳和水的协同生产，可为碳中性燃料的合成提供所需的碳源及氢源。
引言
为了应对气候变化等重大环境问题，迫切需要大规模实施负排放技术以逆转现阶段的大气二氧化碳浓度上升趋势。基于吸附-脱附过程的直接空气捕集技术具有不受地理位置限制及易于与可再生能源结合等优势受到了广泛关注，成为实现碳中和的重要技术路径。由于空气中二氧化碳浓度仅为约420 ppm，化学吸附剂，特别是具有较大吸附热（60-100 kJ/mol）和高二氧化碳选择性的固体胺吸附剂，通常被用于吸附空气中的二氧化碳。然而，由于胺基与二氧化碳之间的强亲和力，常用的真空变温脱附过程难以充分回收被吸附的二氧化碳，这限制了二氧化碳的产量，并导致较高的吸附剂再生能耗和运营成本。此外，鉴于空气中水的含量远大于二氧化碳含量，若能同时进行二氧化碳和水的捕集，则可通过催化过程将二者转化为碳中性燃料，从而提供一种灵活的能源存储和燃料合成方案，拓展直接空气捕集的应用范围并改善其经济性。因此，开发一种具有更高效率和更低碳足迹，且可同时生产二氧化碳和水的吸附过程，对于确保直接空气捕集的可持续性至关重要。本研究设计双层吸附床构型用于直接空气捕集，通过二氧化碳吸附床层捕集空气中的二氧化碳，额外使用水吸附床层收集空气中的水分用于对二氧化碳吸附床层进行原位蒸汽吹扫，无需真空及外部蒸汽等辅助脱附手段，即可回收超90%被吸附的二氧化碳。该原位蒸汽促进脱附策略以空气为原料，以太阳能为热源，可为绿色燃料合成提供所需的高纯二氧化碳和水。
图文导读
原位蒸汽促进脱附策略的工作原理
图1. 原位蒸汽促进脱附策略的工作原理
本文使用商用固体胺吸附剂 Lewatit VP OC 1065 的热力学数据，评估了传统真空变温吸附过程在直接空气捕集中的性能。提出并使用了再生效率（R）这一参数，量化脱附过程中释放的二氧化碳与二氧化碳吸附容量的比值，以衡量不同脱附技术在直接空气捕集中的表现。研究发现，使用真空变温吸附过程通常需要较低的脱附压力，并伴随高温以达到超过 0.6的 R 值（图 1a）。因此，团队设计并引入了VPD策略用于直接空气捕集，利用从大气中收集的水进行原位蒸汽吹扫，以实现 R 值超过 0.9 的高效吸附剂再生（图 1b-d）。整个 DAC 过程包括吸附、预热、脱附和冷却四个阶段。在脱附过程中，水脱附所引起的蒸汽分压上升会限制二氧化碳分压，从而促进固体胺吸附剂的再生。该再生方法仅需热能，无需电能降低脱附压力，也无需额外的蒸汽源进行吹扫，所需的热能可以通过废热或太阳能等多种方式提供。
吸附性能测试
图2. 固体胺吸附剂的吸附性能
团队分析了商用固体胺吸附剂的二氧化碳及水的吸附热力学（图2a-b）。在20 ℃和400 ppm的干燥空气条件下，固体胺吸附剂的二氧化碳吸附容量可达1.11 mmol/g。通过在不同湿度下进行穿透实验，研究了湿度对固体胺吸附行为的影响。与干燥空气下的吸附相比，在35%、60%和85%相对湿度下的二氧化碳吸附量分别增加了6.9%、29.2%和62.5%（图2c）。在高湿度条件下，较高的二氧化碳吸附量和较慢的吸附动力学导致达到吸附平衡所需的时间更长。通过记录原位FTIR光谱，证实了在30%相对湿度下，空气中的二氧化碳以氨基甲酸盐的形式被吸附在固体胺的表面（图2d）。
原位蒸汽促进DAC性能测试
图3. 原位蒸汽促进DAC的循环性能
团队使用固体胺吸附剂和硅胶分别作为二氧化碳和水的吸附剂，进行直接空气捕集的吸附-脱附循环实验，以考察VPD策略的再生效率（图3）。借助原位蒸汽吹扫所提供的额外脱附驱动力，捕集过程的再生效率和二氧化碳工作容量分别可达0.9和1 mmol/g，从而实现了极高的二氧化碳产率，达到3.7-3.9 kg/h/m3。同时，再生过程中释放的二氧化碳的最高纯度可达99%。实现该再生性能所需的脱附温度仅为约105 ℃，因此固体胺吸附剂在九个循环中维持了稳定的二氧化碳吸附能力。相比之下，未使用原位蒸汽吹扫的DAC过程，由于缺乏脱附驱动力，需要150 ℃的脱附温度才能实现吸附剂再生，因此在第8个循环时便失去了40%的工作容量。
图4. 二氧化碳及水的循环产量以及原位蒸汽促进DAC的性能预测
VPD策略同时具有一定的操作灵活性，即使团队将固体胺在吸附柱内的体积占比增加至0.8，原位蒸汽在脱附过程中依然保持较高的分压，从而使得在低于110 ℃的脱附温度下实现超过0.9的再生效率，且CO2的工作容量可以稳定在0.85到1.00 mmol/g之间 (图4a-b)。除了促进二氧化碳的脱附，原位蒸汽还可以在冷凝器中凝结为液态水，作为副产物（图4c-d）。使用总体积为400 mL的吸附床层，每个DAC循环能够生产4.5到5.0克的高浓度CO2产品，而水的产量根据大气湿度的不同在5.0到6.5克之间波动。
显然，VPD策略中达到不同再生效率所需的脱附温度与吸附水的量密切相关。基于吸附水与二氧化碳之间的摩尔比与脱附温度之间的相关性，团队估算了在不同固体胺体积分数、大气湿度和脱附温度下VPD的再生效率R（图4e）。通过调整吸附剂的体积分数，VPD可以应用于各种气候环境，即使在湿度低至20-25%的地区（沙漠地区的典型湿度）仍能实现0.9的再生效率。预测显示，通过施加50 kPa的适度真空，可以显著降低原位蒸汽产生所需的温度，仅需87 ℃的脱附温度即可回收90%的CO2（图4f）。
太阳能驱动的吸附剂再生过程
图5. 用于DAC的太阳能加热装置及加热效率测试
鉴于VPD过程只需低品位热能，团队构建了一个太阳能驱动的直接空气捕集样机，以提供再生过程所需的能量。样机中的吸附柱表面沉积有选择性吸收涂层，用于将太阳能转化为热能，并配备了真空隔离层和太阳能聚光器。该样机具有63.1%的光热转化效率，在典型的太阳辐射通量为500 W/m2的情况下，加热功率约为30 W。
图6. 太阳能驱动的直接空气捕集性能及能耗
为验证该样机的直接空气捕集性能，团队在不同天气条件下进行了吸附-脱附实验。在500-700 W/m2的太阳辐射强度下，太阳能驱动的VPD可在50分钟内释放几乎所有被吸附的二氧化碳（R > 0.97，图6a-b），且仅需10.4 MJ/kgCO2的热能用于吸附剂再生（图6d）。进一步分析发现，提高固体胺温度所需的显热和释放吸附水所需的潜热主导了再生过程中的能耗（图6e）。与其他现有过程相比，VPD不仅所需能耗较低，同时还具有零电力消耗和高产品纯度的优势。此外，VPD还消除了对工业蒸汽锅炉和真空泵的需求，从而节省了固定成本。经计算，原位蒸汽促进的DAC的总捕集成本在每吨二氧化碳111-313美元之间，主要取决于热能成本和吸附剂的使用寿命。
小结
本研究开发了一种基于原位蒸汽促进脱附的直接空气捕集技术，通过从空气中协同吸附水进行原位蒸汽吹扫，大幅提升了固体胺吸附剂的再生效率，同时生产出纯度超过97%的二氧化碳和液态水。该技术展现出良好的操作灵活性，即使在20%的相对湿度下也能有效回收超过90%的被吸附二氧化碳，并且可以结合太阳能加热，以降低化学吸附剂再生过程的碳足迹。经过计算，原位蒸汽促进脱附策略可以将DAC的每吨二氧化碳捕集成本控制在111到313美元之间。总成本主要受吸附剂使用寿命和热能成本的影响，因此未来需要进一步研究如何降低产生原位蒸汽所需的温度，并开发具有高热稳定性的胺基结构或化学吸附剂。本文为直接空气捕集二氧化碳提供了一种通用工艺，能够同时实现高二氧化碳产量和低能耗，并为进一步设计高效直接空气捕集过程及提高捕集过程的经济性奠定了基础。
作者简介
王永强，硕士毕业于天津大学，博士毕业于墨尔本大学，现为剑桥大学博士后。主要研究方向为用于直接空气捕集的吸附过程及材料。迄今在Nature Communications，Environmental Science & Technology 及Journal of Hazardous Materials等期刊发表论文十余篇。
Gang Kevin Li（李刚），墨尔本大学副教授，主要从事二氧化碳捕集与转化、氢气生产及煤层气富集等领域的研究工作，在Nature，Nature Communications，Journal of the American Chemical Society，及AIChE Journal等期刊发表论文150余篇，并拥有30多项专利。获得ARC Discovery Early Career Researcher Award (DECRA)，ExxonMobil Award of Excellence in Chemical Engineering以及 the ATSE David and Valerie Solomon Prize等多个奖项。
丁辉，天津大学环境科学与工程学院副教授，博士生导师，在农耕土壤修复、常温催化、空气碳捕集等生态环境治理方面开展了特色的原创性研究。以“理论研究-技术突破-应用示范”为路径，已形成 2 套技术创新体系（1 项国际领先，1 项国内领先），制定 2 项标准，产学研紧密结合产生了科学价值和社会经济效益。第一作者或通讯作者代表性论文发表在 Nat. Commun.、Environ. Sci.Technol.、J. Hazard. Mater.、Chem. Eng. J 等 TOP 期刊。原创成果授权国际专利、中国发明专利 90 余项，主编专著 2 部，制定团体标准 2 项，获得了省部级及社会力量奖励7 项；常温催化 VOCs 专利技术转化 1 项，土壤修复专利技术成果转化 1 项获得了省部级及社会力量奖励7项。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53961-4
（来源：丁辉 编辑：田淑洁）
