“我要去銀行存一張支票，看到他們使用舊的氣動(dòng)管來傳輸文件，”喬治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程學(xué)院的 Thomas C. DeLoach的教授Ryan Lively說。“在你的職業(yè)生涯中，你沒有多少次有靈光一現(xiàn)的時(shí)刻，但我看到了這些管子，我意識(shí)到，我們可以把這些纖維放在類似銀行柜員管筒的東西中。我們基本上就是這么做的，而且很有效。”

　　

　　以氣動(dòng)管為靈感的模塊就位后，該團(tuán)隊(duì)開始測試他們的系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)他們可以生產(chǎn)足夠純度的二氧化碳用于地下封存，并消除構(gòu)建典型 DAC 系統(tǒng)的大量前期成本。他們在 6 月 12 日的Joule雜志上描述了他們的設(shè)計(jì)和方法。

　　

　　

　　

　　受銀行管啟發(fā)的罐中的吸附劑涂層碳纖維。

　　

　　圖片來源：喬治亞理工學(xué)院

　　

　　“這項(xiàng)工作不僅概念化了新一代 DAC 系統(tǒng)，而且在一定程度上展示了我們發(fā)明的實(shí)際操作，”該論文的第一作者、Lively 實(shí)驗(yàn)室的前博士后 Won Hee Lee 說。“我們已經(jīng)使用我們的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模模塊成功捕獲了環(huán)境中的二氧化碳。現(xiàn)在重要的是擴(kuò)大模塊的規(guī)模。由于我們系統(tǒng)的所有組件都是市售的，而且制造相對容易，因此大規(guī)模制造模塊應(yīng)該沒有什么技術(shù)障礙。”

　　

　　至少在理論上，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做到了擴(kuò)大規(guī)模，使用他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來預(yù)測實(shí)際系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。他們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以以每噸 150 到 200 美元的價(jià)格捕獲二氧化碳，大大低于在建的商業(yè)系統(tǒng)，后者估計(jì)以每噸 300 到 600 美元的價(jià)格捕獲碳。

　　

　　更簡單的方法

　　

　　該研究的共同作者包括 ChBE 的研究人員，他們將喬治亞理工學(xué)院定位為直接空氣捕獲技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。Christopher Jones教授和Matthew Realff教授與 Lively 合作研究從分子到系統(tǒng)級別的DAC 的各個(gè)方面。這項(xiàng)工作提出了兩個(gè)關(guān)鍵進(jìn)展。

　　

　　DAC 系統(tǒng)利用熱量從飽和過濾材料中釋放二氧化碳。二氧化碳被收集起來，然后可以泵入地下或者可能用于制造燃料或化學(xué)品。通常，系統(tǒng)使用外部熱源。蒸汽是一種受歡迎的選擇，因?yàn)樗焖俣鴱?qiáng)大，但它也具有破壞性并且需要額外的冷凝步驟。這些系統(tǒng)還需要隔熱材料以防止所有熱量散失，因此它們體積龐大且價(jià)格昂貴。

　　

　　Lively 和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了獨(dú)特的碳纖維束，上面涂有親碳吸附劑。碳纖維芯由內(nèi)向外加熱，從而實(shí)現(xiàn)快速均勻的熱量分布。

　　

　　

　　

　　Ryan Lively、Won Hee Lee（電腦屏幕中）、Christopher Jones 和 Matthew Realff 開發(fā)了基于光纖的 DAC 系統(tǒng)。

　　

　　圖片來源：喬治亞理工學(xué)院

　　

　　“纖維非常均勻。當(dāng)你將所有這些連接到電氣系統(tǒng)時(shí)，你會(huì)非常均勻地分配能量，這對于電阻加熱系統(tǒng)來說是不尋常的，”Lively 說。“我們并不是第一個(gè)想到電阻加熱來再生碳捕獲裝置的人。但通常情況下，加熱不是很慢就是不均勻。有些地方你在加熱空氣，而不是你試圖加熱的東西。”

　　

　　

　　

　　熱成像設(shè)備顯示碳纖維中的熱量分布。

　　

　　圖片來源：喬治亞理工學(xué)院

　　

　　研究人員的系統(tǒng)總體上使用的組件更少。該設(shè)計(jì)部署了一系列受銀行管啟發(fā)的模塊，這些模塊帶有圓形的碳纖維束，無論風(fēng)向如何，都可以捕獲二氧化碳。該系統(tǒng)使用單個(gè)真空泵，在再生階段從一個(gè)模塊旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)模塊。并且不需要蒸汽發(fā)生器、泵和冷凝器來釋放二氧化碳和“補(bǔ)充”股線。這兩項(xiàng)變化都意味著該系統(tǒng)總體上更簡單，并且前期構(gòu)建和部署成本更低。

　　

　　“由于缺乏蒸汽產(chǎn)生等輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)的投資成本明顯低于目前許多DAC系統(tǒng)。”Realff 說。“能源成本仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，我們需要增加我們可以在設(shè)備中吸附的二氧化碳量，這樣纖維的顯熱不會(huì)消耗太多的總熱量。”

　　

　　但 Realff 表示，該系統(tǒng)的快速加熱和快速循環(huán)為更高效的直接空氣捕獲方法帶來了巨大希望：“事實(shí)上，我們可以生產(chǎn)一個(gè)工作原型并在幾個(gè)月內(nèi)在實(shí)驗(yàn)規(guī)模上進(jìn)行演示，這是該技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。”

　　

　

　　

　　一位藝術(shù)家的渲染圖展示了風(fēng)電場中 DAC 系統(tǒng)的安裝。

　　

　　圖片來源：Nicolle Fuller

　　

　　理想情況下，該團(tuán)隊(duì)的 DAC 系統(tǒng)可以與風(fēng)力發(fā)電場一起使用來自風(fēng)力渦輪機(jī)的可再生能源。但即使使用當(dāng)前電網(wǎng)的電力，Reallf 的分析表明該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)仍會(huì)從大氣中去除足夠多的二氧化碳以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放。

　　

　　該團(tuán)隊(duì)方法的另一個(gè)優(yōu)勢是碳纖維束。該材料具有合適的機(jī)械和電氣性能，而且很容易獲得，可以持續(xù)大批量生產(chǎn)，而且價(jià)格也不貴。

　　

　　現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正在尋求提高他們可以生產(chǎn)的二氧化碳的質(zhì)量。他們已經(jīng)達(dá)到 80% 的純度——足以用于地下儲(chǔ)存，但他們希望達(dá)到 99% 的純度以進(jìn)行生產(chǎn)再利用，例如制造化學(xué)品或燃料。他們正在與佐治亞理工學(xué)院合作，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)來改進(jìn)和自動(dòng)化他們的系統(tǒng)，并且他們正在努力在校園建筑的頂部安裝一個(gè)測試系統(tǒng)。

　　

　　“我在 DAC 領(lǐng)域工作了十多年，幾乎我見過的所有設(shè)計(jì)都主要依靠熱能進(jìn)行解吸，”同時(shí)也是 ChBE 的 John F. Brock III 學(xué)校主席的Jones說。“一種允許快速、局部供暖和使用可再生電力的技術(shù)擴(kuò)展了 DAC 技術(shù)開發(fā)商的設(shè)計(jì)選擇范圍。”