充電還能除碳？劍橋大學(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出新型碳捕獲裝置

提起椰子殼與大海，你想到的是什么？

是馬爾代夫海邊潮濕、自由的空氣？還是夏威夷土著熱情奔放的舞蹈？

你在夢(mèng)想著度假的時(shí)候，科學(xué)家們卻用它們做出了讓全人類都能更好地度假的東西。

近日，劍橋大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種低成本碳捕獲裝置，可以在充電時(shí)選擇性地捕獲二氧化碳?xì)怏w。隨后在放電的過(guò)程中，二氧化碳能夠被以可控的方式釋放并收集起來(lái)，從而回收利用或是以妥當(dāng)?shù)牡姆绞教幚淼簟?/p>

然而，這和我們度假有什么關(guān)系呢？

當(dāng)然有關(guān)系。

氣候變化、全球變暖是我們?nèi)祟愒?1世紀(jì)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，可能導(dǎo)致各種各樣的災(zāi)害性天氣、生態(tài)災(zāi)難等等。每年，約有350億噸二氧化碳被排放到大氣中，加劇了地球的溫室效應(yīng)。據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)的估計(jì)，要將全球變暖控制在工業(yè)化之前水平的1.5攝氏度，防止氣溫攀升至危險(xiǎn)范圍，我們需要在本世紀(jì)從大氣中去除1 萬(wàn)億噸的二氧化碳，并在2050年全面達(dá)到碳中和目標(biāo)。

碳捕獲與封存技術(shù)

顯然，光是節(jié)能減排并不夠，于是碳捕獲與封存技術(shù)(CCS)就應(yīng)運(yùn)而生了。CCS技術(shù)主要關(guān)注諸如發(fā)電廠、煉油廠、水泥廠等碳排放大戶，在排放的源頭將二氧化碳吸收并收集起來(lái)，阻止其進(jìn)入大氣。目前發(fā)展最好的CCS是胺溶劑洗滌技術(shù)，但其過(guò)程需要消耗大量的能源，且造價(jià)高昂，其中最有代表性的挪威“登月計(jì)劃”——挪威西部霍達(dá)蘭郡Mongstad地區(qū)天然氣發(fā)電廠的大規(guī)模全面CCS項(xiàng)目，這是一個(gè)雄心勃勃的例子，卻最終因?yàn)槌杀具^(guò)高等原因于2013年9月被終止。

時(shí)至今日，CCS限于成本問(wèn)題面臨著市場(chǎng)化難的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，仍然停留在昂貴實(shí)驗(yàn)品的范疇。而近年出現(xiàn)的超電容變壓吸附技術(shù)則是一種低成本、低能耗的碳捕獲技術(shù)，有望替代傳統(tǒng)的溶劑洗滌，并最終推動(dòng)碳捕獲與封存走向市場(chǎng)化、規(guī)?；膶?shí)際應(yīng)用。

碳捕獲與封存技術(shù)

超電容變壓吸附技術(shù)

超電容變壓吸附技術(shù)用到的超級(jí)電容器與我們熟知的可充電電池類似，有著儲(chǔ)電、放電的功能，兩者之間的主要區(qū)別在于它們儲(chǔ)存電荷的方式。電池主要利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存和釋放電荷，超級(jí)電容器則不依賴化學(xué)反應(yīng)，而是依賴于一正一負(fù)兩個(gè)電極之間電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)儲(chǔ)能，因而老化相對(duì)電池更慢，使用壽命更長(zhǎng)。

在充電的過(guò)程中，將超級(jí)電容器碳電極的一端置于排放的煙道廢氣中，另一端置于水基電解質(zhì)當(dāng)中，則它會(huì)選擇性地吸收氣體中的二氧化碳，并將其溶解在電解質(zhì)里面，達(dá)到碳捕獲與封存的效果，這就是超電容變壓吸附技術(shù)的基本工作原理。

超電容變壓吸附技術(shù)

椰子殼、海水與交替電流？

以往的超電容變壓吸附技術(shù)限于超級(jí)電容器較小的儲(chǔ)量，效率比較低。近日，特雷弗·賓福德在劍橋攻讀碩士學(xué)位期間領(lǐng)頭的一項(xiàng)工作中，他的團(tuán)隊(duì)嘗試通過(guò)負(fù)電壓與正電壓之間的交替以延長(zhǎng)早先實(shí)驗(yàn)中的充電時(shí)間，而事實(shí)證明，這提高了超級(jí)電容器捕獲碳的能力。

論文的作者伊斯拉爾和格蕾絲

“我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)讓電極之間的電流進(jìn)行緩慢的交替，我們可以捕獲比以前多一倍的二氧化碳。”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的劍橋大學(xué)Yusuf Hamied化學(xué)系副教授弗斯博士如此說(shuō)道。他還表示，這一體積只有兩便士硬幣大小的裝置在充放電過(guò)程中消耗的能量可能比當(dāng)前工業(yè)中常用的胺加熱工藝更少。

當(dāng)然，這一裝置只有在充電過(guò)程中才會(huì)由負(fù)極板吸收二氧化碳?xì)怏w，同時(shí)忽略不會(huì)導(dǎo)致氣候變化的其他成分，如氧氣、氮?dú)夂退鹊龋瑢?shí)現(xiàn)既可以捕獲碳又可以儲(chǔ)能的功能；這一過(guò)程在放電時(shí)可逆。

“它的缺陷在于，超級(jí)電容器無(wú)法儲(chǔ)存電池那么多的能量，然而就碳捕獲來(lái)說(shuō)，我們會(huì)優(yōu)先考慮它的耐用性，”論文合著者之一的格蕾絲如此說(shuō)道，“而最棒的是，用于制造超級(jí)電容器的材料便宜且來(lái)源豐富，比如它的電極就由碳制成，而碳來(lái)自丟棄不用的椰子殼。我們希望更多地使用不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害的惰性材料，且要能夠支持長(zhǎng)期使用而不需要頻繁替換（丟棄）。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，這里的二氧化碳被溶解在一種水基電解質(zhì)中，而這種電解質(zhì)基本上可以說(shuō)就是海水?！?/p>

碳捕獲裝置基本構(gòu)造

另一位論文合著者伊斯拉爾博士則為該裝置開(kāi)發(fā)了一種氣體分析技術(shù)，其原理大體就是使用了一種壓力傳感器，會(huì)對(duì)這一電化學(xué)裝置中的氣體吸附變化做出響應(yīng)。他表示，由于這個(gè)研究領(lǐng)域目前還非常新，所以我們對(duì)其內(nèi)部運(yùn)作的精確機(jī)制仍然缺乏了解，而這一技術(shù)得出的結(jié)果可以幫助我們更好地理解在吸收和釋放二氧化碳時(shí)，超級(jí)電容器內(nèi)部究竟發(fā)生了什么。要實(shí)現(xiàn)這一裝置的規(guī)?；瑒t對(duì)這些機(jī)制、期間可能的損耗以及設(shè)備老化過(guò)程的理解是必不可少的。該研究成果論文于5月19日發(fā)表在期刊上。

弗斯

“隔空取碳”？

除了從碳排放大戶的源頭除碳，還有一些頗具前景的碳捕獲技術(shù)也值得關(guān)注，直接空氣碳捕獲就是其中之一。

這個(gè)思路很直接，大氣中的二氧化碳太多了，那就直接把它們“抓回來(lái)”，但問(wèn)題是捕集的成本太高，因而被許多科學(xué)家認(rèn)為不具備可行性。這種情況一直持續(xù)到2018年夏天，哈佛大學(xué)氣候科學(xué)家大衛(wèi)·詹斯計(jì)算之后驚喜地發(fā)現(xiàn)，理論上可以將機(jī)器捕集二氧化碳的成本降低到每噸100美元以下，比原來(lái)的估計(jì)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

不過(guò)，當(dāng)時(shí)的技術(shù)尚不成熟，盡管諸如Carbon Engineering（Keith是聯(lián)合創(chuàng)始人之一）、Climeworks等公司都在啟動(dòng)他們?cè)囼?yàn)工廠的規(guī)?；瘒L試，但要將成本降低到理論值仍然需要數(shù)年的時(shí)間，也沒(méi)有可行的商業(yè)模式可以支持這項(xiàng)成本高昂的工作。

二氧化碳捕獲基本原理

Orca

Orca

然而，人類的創(chuàng)造力是無(wú)窮的。短短幾年后的2021年9月，Climeworks就打開(kāi)了位于冰島雷克雅未克郊外的Orca的開(kāi)關(guān)，迄今為止最大的除碳工廠正式投入使用。

Orca的每一個(gè)模塊都通過(guò)一臺(tái)大型風(fēng)扇將空氣吸過(guò)一個(gè)過(guò)濾器，在那里材料與二氧化碳分子結(jié)合。然后，由該公司的合作伙伴Carbfix將二氧化碳與水混合，并將其泵入地下，在那里與玄武巖反應(yīng)，最終變成石頭。該設(shè)施完全依靠無(wú)碳電力運(yùn)行，能源主要來(lái)自附近的地?zé)岚l(fā)電廠。

Orca每年可捕獲4000噸二氧化碳，這個(gè)數(shù)字確實(shí)不是很大，大致只相當(dāng)于870輛汽車的年排放量。Climeworks的愿景是建立更多更大的工廠來(lái)捕獲空氣中的碳，這將有助于公司找出優(yōu)化操作的方式，推動(dòng)成本下降并實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。根據(jù)他們的預(yù)計(jì)，到本世紀(jì)30年代末，捕集每噸碳的成本將從600美元～800美元之間降低至約100美元～150美元。與此同時(shí)，前面提到的Carbon Engineering也計(jì)劃今年開(kāi)始在美國(guó)西南部建設(shè)他們的工廠，每年預(yù)計(jì)可消除100萬(wàn)噸二氧化碳，并與合作伙伴一道啟動(dòng)位于蘇格蘭和挪威的除碳工廠工程和設(shè)計(jì)工作。

不論是“捕風(fēng)捉碳”，還是椰子殼與海水，科技創(chuàng)新都帶來(lái)了新的希望，我們也要日日踐行低碳生活。