碳捕获材料可以帮助工业减少排放和成本

艾伯塔省在碳捕获和封存方面的世界知名度将再次提升，这要归功于在该省发明和测试的一种材料，该材料提供了一种从工业排放中去除二氧化碳的有效方法。

阿尔伯塔大学工程学院的一个团队对由卡尔加里大学的 George Shimizu 领导的小组开发的一种捕获CO 2 的微孔材料进行了表征，该材料可以吸引气体分子并看到它们粘附在其表面。这种名为 Calgary framework-20 (CALF-20) 的材料属于称为金属有机骨架的微孔固体家族。

博士 学生 Tai Nguyen 和 A 大学化学与材料工程系副教授 Arvind Rajendran 测试了 CALF-20 的能力，以揭示其独特的特性，使其成为 CO 2捕获的绝佳候选者。Rajendran 解释说，在研究人员开始证明金属和有机分子的组合(称为连接体)具有从混合物中浓缩气体的潜力之后，金属有机框架背后的想法已经存在了几十年。

在 CALF-20 的情况下，一克的表面积超过 500 平方米。这些材料可以装在一个柱子中，就像催化转化器一样，基本上固定在烟囱的末端。

Rajendran 将排放物通过材料发送的过程比作一群人通过购物区。

“你会开始看到，不喜欢购物的人会往前走，而喜欢购物的人会走得更慢，”他说。

“最初，不喜欢购物的人先出来。”

在排放物由氮气和 CO 2 组成的情况下，氮气首先排出，而 CO 2则留在后面，附着在材料上。为了移动 CO 2以便材料可以重新使用，要么降低塔中的压力并将浓缩的 CO 2抽真空，要么使用废热或蒸汽加热系统。

“当你提供热量时，CO 2 会被释放出来，我们可以开始以比你送进来的更浓缩的形式收集它。”

解决实际问题

然而，这些材料的问题在于，虽然它们通常在实验室的受控范围内工作，但它们在有水或其他杂质的情况下不起作用。这就是 Rajendran 的团队介入的地方。

“这种材料的创新之处在于它可以很好地处理水。这意味着在通过这种材料过滤气体之前不必干燥气体，从而减少了对大量能量的需求，”他说。

Rajendran 补充说，表征材料在有水的情况下如何表现所需的实验既具有挑战性又费力：“我们必须开发新技术，而且 Tai 需要极大的耐心来证明 CALF-20 浓缩 CO 2的非凡能力即使在有水的情况下。”

Rajendran 团队进行的实验得到了渥太华大学 Tom Woo 领导的研究小组使用先进分子模拟的证实。

Rajendran 解释说，碳捕获材料的另一个挑战是，即使是最少量的排放副产品，如二氧化硫和一氧化二氮，也会破坏这些材料捕获 CO 2的能力。

“CALF-20 的一大优势在于它可以在实际条件下工作数千小时，而之前几乎所有其他开发项目都没有，”他说。

一旦浓缩，CO 2要么被压缩并储存在地质层中，然后被推回到旧井中以提高石油采收率，要么转换回燃料，例如甲醇，用于生产其他产品。

减少排放和成本

Zoramat Solutions 是一家位于卡尔加里大学的公司，将 CALF-20 放大到数公斤级，Innovate Calgary 将其授权给了 Svante，Svante 是位于不列颠哥伦比亚省本拿比的行业合作伙伴，该公司开发了一种商业流程。Svante 已经证明该材料适用于工业环境，现在正在水泥厂以每天 1 吨的产能对其进行测试。

“这可能是金属有机框架的第一次大规模商业化，”Rajendran 说。“这些是下一代碳捕获技术，不仅可以减少 CO 2排放，还可以降低成本。通过合成和理论化学家、化学工程师和工业界的多机构和跨学科合作，这些创新成为可能。”

他补充说，这一时机恰逢省级举措的推出，以减少行业的环境足迹，包括加拿大在埃德蒙顿地区启动的第一个氢中心，由三级政府提供超过 200 万加元的资金支持。该地区处于成功的有利位置，因为它拥有世界上最低的制氢成本之一、现有的制氢经验、庞大的管道基础设施网络以及合适的现有碳捕集场地——所有这些都是升级所必需的将天然气转化为氢气用作低碳燃料。

“在艾伯塔省，我们每年封存近 2 到 300 万吨 CO 2，我们已经成为这项技术的世界领先者，因为我们拥有世界上一些最大的示范设施，”Rajendran 指出。

“开发新材料、相关工艺和扩大工业示范的能力证明了艾伯塔省作为碳捕获和储存领域的世界领导者的地位。”

U of A 的研究得到了艾伯塔省创新战略研究计划奖和 NSERC CREATE 赠款的支持。

这项名为“一种可扩展的金属有机框架作为用于二氧化碳捕获的耐用物理吸附剂”的研究发表在《科学》杂志上。