科学家推出迄今为止成本最低的碳捕获系统

随着到达地球大气层的每个CO2分子的增加，对捕获、去除和重新利用二氧化碳的技术的需求也越来越大。为了满足这一需求，美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家们在他们努力使碳捕获更便宜和更广泛的过程中取得了一个新的里程碑。他们创建了一个新系统，可以有效地捕获CO2-迄今为止成本最低的系统-并将其转化为世界上使用最广泛的化学品之一：甲醇。

在CO2漂浮到大气中之前将其捕获是减缓全球变暖的关键因素。然而，为最大的排放者采用碳捕获技术创造激励是一个重要的先决条件。商业捕获技术的高成本是其广泛使用的长期障碍。

PNNL科学家认为甲醇可以提供这种激励。它具有多种用途，可用作燃料、溶剂以及塑料、油漆、建筑材料和汽车零件的重要成分。将CO2转化为有用物质(如甲醇)为工业实体提供了捕获和重新利用其碳的途径。

领导这项新技术的研究团队的PNNL化学家DavidHeldebrant将该系统比作回收利用。正如人们可以在一次性材料和可回收材料之间做出选择一样，人们也可以回收碳。

“这基本上就是我们在这里试图做的事情，”Heldebrant说。“我们不是从地下提取石油来制造这些化学物质，而是试图从大气中或从燃煤电厂中捕获的CO2来制造，这样它就可以重新组合成有用的东西。你让碳保持活力，所以讲，所以不只是“从地里拔出来，用一次，就扔掉”。我们正试图回收CO2，​​就像我们试图回收其他东西，如玻璃、铝和塑料一样。”

正如AdvancedEnergyMaterials杂志所描述的那样，新系统的设计适用于燃煤、燃气或生物质发电厂，以及水泥窑和钢铁厂。该系统使用PNNL开发的捕获溶剂，在CO2分子被排放之前捕获它们，然后将它们转化为有用的、可销售的物质。

在碳被完全去除或完全阻止进入地球大气层之前，必须有一长串多米诺骨牌倒下。这项努力——将捕获和转换技术推向世界——代表了最初几个关键领域中的一些。

Heldebrant说，部署这项技术将减少排放。但它也有助于推动其他碳捕获技术的发展，并为含CO2的材料建立市场。有了这样一个市场，预期的直接空气捕获技术捕获的碳可以更好地重组为寿命更长的材料。

2022年4月，政府间气候变化专门委员会发布了其第三工作组报告，重点是缓解气候变化。在概述的排放限制措施中，碳捕获和储存被列为实现净零排放的必要因素，特别是在钢铁和化工生产等难以脱碳的行业。

“减少工业排放将涉及更有效地使用材料、再利用和回收产品以及最大限度地减少浪费，”IPCC在与2022年报告之一一起发布的新闻稿中表示。“为了实现社会所需碳(例如塑料、木材、航空燃料、溶剂等)的CO2净零排放，”报告写道，“重要的是关闭碳和碳的使用循环通过机械和化学回收增加循环性来减少二氧化碳。”

PNNL的研究专注于做到这一点——与美国能源部的碳负排放保持一致。通过在转化过程中使用可再生来源的氢气，该团队可以生产比使用天然气作为原料的传统方法碳足迹更低的甲醇。通过CO2转化生产的甲醇可能有资格获得旨在推动采用碳减排技术的政策和市场激励。

甲醇是现存产量最高的化学品之一。被称为“平台材料”，其用途非常广泛。除了甲醇，该团队还可以将CO2转化为甲酸盐(另一种商品化学品)、甲烷和其他物质。

优化和扩展此过程仍有大量工作要做，可能还需要几年时间才能为商业部署做好准备。但是，PNNL的碳管理和化石能源市场部门经理CasieDavidson说，取代传统的化学商品仅仅是个开始。“该团队的综合方法开辟了一个新的CO2转化化学世界。有一种感觉，我们正站在一个全新的可扩展、具有成本效益的碳技术领域的门槛上。这是一个非常激动人心的时刻。”

摇摇欲坠的成本

根据美国能源部的分析，商业系统从烟气中吸收碳的成本约为每公吨CO246美元。PNNL团队的目标是通过提高捕获过程的效率和经济竞争力来不断削减成本。

该团队在2021年将捕集成本降至每公吨CO247.10美元。《清洁生产杂志》中描述的一项新研究探讨了使用PNNL开发的不同捕集溶剂运行甲醇系统的成本，该数字现已下降到略低于每公吨CO239美元。

“我们在这项新研究中研究了三种CO2结合溶剂，”负责评估的化学工程师YuanJiang说。“我们发现它们捕获了超过90%的通过它们的碳，而它们这样做的成本约为传统捕获技术成本的75%。”

根据工厂或窑炉的性质，可以使用不同的系统。但是，无论设置如何，溶剂都是核心。在这些系统中，溶剂会在富含CO2的烟气排放之前对其进行清洗，从而留下现在束缚在该液体中的CO2分子。

从CO2中制造甲醇并不新鲜。但是在一个连续流动的系统中捕获碳然后将其转化为甲醇的能力是。传统上，捕获和转化作为两个不同的步骤发生，由每个过程独特的、通常是非互补的化学成分分开。

Heldebrant说：“我们最终要确保一种技术可以完成这两个步骤，并且做得很好。”他补充说，传统的转化技术通常需要高度纯化的CO2。新系统是第一个从“脏”CO2中制造甲醇的系统。

减少明天的排放量

捕获CO2并将其转化为甲醇的过程不是CO2负的。甲醇中的碳在燃烧时释放，或在甲醇转化为寿命更长的物质时被隔离。但这项技术确实“奠定了基础”，Heldebrant说，对于将碳束缚在材料内部和大气之外的重要工作。

其他目标材料包括在粘合剂、涂料和泡沫绝缘材料中发现的聚氨酯，以及广泛用于纺织品织物的聚酯。一旦研究人员最终确定了将CO2转化为在与气候相关的时间尺度内使其远离大气的材料背后的化学过程，就可以准备好广泛的捕获系统网络来运行此类反应。

Heldebrant设想在发电厂内或旁边建造CO2精炼厂来代替今天的烟囱，在那里可以现场制造含CO2的产品。“我们正处于一个转折点，”Heldebrant和他的合著者在最近发表在《化学科学》杂志上的一篇文章中写道，“我们可以继续使用20世纪的整体捕获和转化基础设施，或者我们可以开始过渡到新的21世纪基于溶剂的综合碳捕获和转化技术的世纪范例。”