ORNL研究人員開發(fā)出3D打印的二氧化碳吸收裝置

來源：中國3D打印網(wǎng)

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的科學(xué)家開發(fā)了一種新型3D打印設(shè)備，該設(shè)備能加從燃燒化石燃料中捕獲的二氧化碳量。利用3D打印技術(shù)研究人員能夠?qū)�熱交換器和質(zhì)量交換接觸器結(jié)合在一起，成為多功能的CO2吸收裝置。鋁制設(shè)備的原位冷卻能力使更多的二氧化碳從氣體轉(zhuǎn)移到液態(tài)，從而提高了碳的保留率。簡(jiǎn)要測(cè)試顯示，通過實(shí)施ORNL團(tuán)隊(duì)的新組件，可以吸收多達(dá)20％的工業(yè)流程產(chǎn)生的二氧化碳。

該項(xiàng)目的首席研究員孫欣說:“在設(shè)計(jì)3D打印設(shè)備之前，由于二氧化碳填充塔的幾何形狀復(fù)雜，因此很難在CO2吸收塔中實(shí)現(xiàn)熱交換器的概念，通過3D打印，質(zhì)量交換器和熱交換器可以共存于一個(gè)多功能的增強(qiáng)型設(shè)備中，

控制吸收溫度對(duì)于捕獲二氧化碳是至關(guān)重要的。”

ORNL小組的多功能設(shè)備（如圖所示）比現(xiàn)有的同類設(shè)備能夠捕獲更多的碳排放。 通過ORNL的Michelle Lehman。

碳捕集與封存（CCS）是限制許多工業(yè)過程中CO2排放的重要方法，也是應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵武器。反過來，吸收是最便宜的CCS方法和最探索的方法，碳吸收的研究可以追溯到1960年代。

為了實(shí)施吸收策略，需要將包含二氧化碳的煙氣流與與CO2具有化學(xué)親和力的溶劑直接接觸。單乙醇胺（MEA）是一種常用的溶劑，能夠與二氧化碳分子鍵合，并且其反應(yīng)使其迅速而有利地被另一種MEA分子取代。因此，MEA的吸收性使其非常適合捕獲有毒物質(zhì)。

考慮到CCS需要CO2擴(kuò)散到整體液相中，因此也需要使氣流和液體溶劑之間的接觸面積最大化。擴(kuò)大溶劑的表面積既可以通過開槽，規(guī)整填料，也可以通過無規(guī)填料（例如小環(huán)）來實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)化溶劑是CCS的最佳選擇，因?yàn)樗鼈兛梢龑?dǎo)流體通過定義明確且重復(fù)的流路，從而優(yōu)化吸收性。

盡管MEA洗滌是一種有據(jù)可查的方法，但由于其溫度相關(guān)的降解趨勢(shì)而并未得到廣泛采用。在高溫下，CO2的溶解度降低，這降低了其吸收能力，并限制了豐富的溶劑負(fù)載量。在高于80°C的溫度下，60％至80％的二氧化碳會(huì)被解吸，這嚴(yán)重阻礙了MEA防止碳排放的能力。

階段間冷卻被吹捧為解決MEA過熱問題的解決方案。先前的研究表明，將溶劑抽出并通過熱交換器可以減少因溫度變化而損失的CO2量。這種非原位方法的缺點(diǎn)在于其復(fù)雜性的增加常常導(dǎo)致更高的實(shí)施成本。

ORNL研究人員（如圖）使用3D打印來優(yōu)化其設(shè)備的二氧化碳吸收能力。圖片來自O(shè)RNL卡洛斯·瓊斯（Carlos Jones）。

使用3D打印，ORNL團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種將兩個(gè)獨(dú)立功能組合到一個(gè)階段的設(shè)備，同時(shí)管理接觸階段和熱交換。增材制造無需生產(chǎn)具有復(fù)雜冷卻劑設(shè)計(jì)的組件，而是使研究人員能夠?qū)⑼ǖ篮喜⒌桨�裝好的設(shè)備中，而不會(huì)影響其幾何形狀。

ORNL小組3D使用鋁印刷了他們的原型，并設(shè)計(jì)了該設(shè)備在其規(guī)整填料的波紋板之間包括嵌入式冷卻劑通道。最終的多功能設(shè)備直徑為20.3厘米，高度為14.6厘米，內(nèi)部冷卻劑通道的總體積為600毫升�！霸撛O(shè)備可以使用其他材料制造，例如新興的高導(dǎo)熱聚合物和金屬，”設(shè)計(jì)該組件的ORNL研究人員Lonnie Love補(bǔ)充說。 “隨著時(shí)間的推移，諸如3D打印之類的附加制造方法通常具有成本效益，因?yàn)榕c傳統(tǒng)制造方法相比，印刷零件所需的時(shí)間和精力更少�！�


該團(tuán)隊(duì)的多功能設(shè)備被證明能夠捕獲測(cè)試過程中排放的20％的二氧化碳。圖片來自O(shè)RNL。 為了測(cè)試其原型，ORNL團(tuán)隊(duì)將其安裝到了一個(gè)吸收柱上，該吸收柱的高度為2.06 m，直徑為20.3 cm�？紤]到要花大量時(shí)間在設(shè)備附近積聚熱量，研究人員將溶劑加熱到70度，然后從下往上將其泵入色譜柱。使用二氧化碳計(jì)進(jìn)行的傳質(zhì)測(cè)量表明，該團(tuán)隊(duì)的3D打印設(shè)備比市售的異位冷卻替代產(chǎn)品更具吸收性。在其峰值時(shí)，二氧化碳的總濃度的20％（相當(dāng)于360 SLPM的空氣和90 SLPM的CO2）被其添加劑吸收劑捕獲。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，進(jìn)一步的測(cè)試表明，增加的氣流速率可以減少二氧化碳向團(tuán)隊(duì)設(shè)備中的傳質(zhì)。反過來，發(fā)現(xiàn)在冷卻前將空氣流速降低到264 SLPM可以提高捕獲率，最多可吸收94％的碳。相比之下，該設(shè)備的熱性能無法與商用熱交換器相媲美，并且無法將其冷卻至低于其最佳工作溫度40oC。 盡管如此，不管設(shè)備存在哪些熱缺陷，ORNL的研究人員均得出結(jié)論，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備的幾何形狀仍可以極大地改善其吸收的CO2量。

Sun總結(jié)說：“這種3D打印增強(qiáng)型設(shè)備的成功代表了進(jìn)一步提高二氧化碳吸收效率的前所未有的機(jī)會(huì)，并證明了這一點(diǎn)。”3D打印中的環(huán)保創(chuàng)新 近年來，研究人員已使用3D打印來減少大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)廣泛應(yīng)用環(huán)境的影響。來自加泰羅尼亞能源研究所和加泰羅尼亞研究與高級(jí)研究所的科學(xué)家已經(jīng)使用3D打印技術(shù)增強(qiáng)了固體氧化物燃料電池（SOFC）。 “新一代”能量電池可用于最終用途的發(fā)電應(yīng)用中，或用于創(chuàng)建增強(qiáng)型能量存儲(chǔ)設(shè)備。 一個(gè)國際材料研究項(xiàng)目開發(fā)了一種3D可打印金屬合金，可以使制冷冷卻系統(tǒng)更節(jié)能。這種材料是鎳和鈦的組合，是一種形狀記憶合金，可以反復(fù)轉(zhuǎn)變以將熱量抽出系統(tǒng)。 同樣，馬來西亞Teknologi大學(xué)的研究人員提出了3D打印作為制造為熱聲冰箱（TAR）供電的板的替代方法。利用Stratasys系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)法將板的厚度增加了40％。