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ORNL研究人员开发出3D打印的二氧化碳吸收装置

       中国3D打印网8月25日讯,橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家开发了一种新型3D打印设备,该设备能加从燃烧化石燃料中捕获的二氧化碳量。利用3D打印技术研究人员能够将热交换器和质量交换接触器结合在一起,成为多功能的CO2吸收装置。铝制设备的原位冷却能力使更多的二氧化碳从气体转移到液态,从而提高了碳的保留率。简要测试显示,通过实施ORNL团队的新组件,可以吸收多达20%的工业流程产生的二氧化碳。
       该项目的首席研究员孙欣说:“在设计3D打印设备之前,由于二氧化碳填充塔的几何形状复杂,因此很难在CO2吸收塔中实现热交换器的概念,通过3D打印,质量交换器和热交换器可以共存于一个多功能的增强型设备中,控制吸收温度对于捕获二氧化碳是至关重要的。”


ORNL小组的多功能设备(如图所示)比现有的同类设备能够捕获更多的碳排放。 通过ORNL的Michelle Lehman。
  吸收并减少二氧化碳排放
        碳捕集与封存(CCS)是限制许多工业过程中CO2排放的重要方法,也是应对气候变化的关键武器。反过来,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。
        为了实施吸收策略,需要将包含二氧化碳的烟气流与与CO2具有化学亲和力的溶剂直接接触。单乙醇胺(MEA)是一种常用的溶剂,能够与二氧化碳分子键合,并且其反应使其迅速而有利地被另一种MEA分子取代。因此,MEA的吸收性使其非常适合捕获有毒物质。
         考虑到CCS需要CO2扩散到整体液相中,因此也需要使气流和液体溶剂之间的接触面积最大化。扩大溶剂的表面积既可以通过开槽,规整填料,也可以通过无规填料(例如小环)来实现。结构化溶剂是CCS的最佳选择,因为它们可引导流体通过定义明确且重复的流路,从而优化吸收性。
       尽管MEA洗涤是一种有据可查的方法,但由于其温度相关的降解趋势而并未得到广泛采用。在高温下,CO2的溶解度降低,这降低了其吸收能力,并限制了丰富的溶剂负载量。在高于80°C的温度下,60%至80%的二氧化碳会被解吸,这严重阻碍了MEA防止碳排放的能力。阶段间冷却被吹捧为解决MEA过热问题的解决方案。先前的研究表明,将溶剂抽出并通过热交换器可以减少因温度变化而损失的CO2量。这种非原位方法的缺点在于其复杂性的增加常常导致更高的实施成本。
ORNL研究人员
  ORNL研究人员(如图)使用3D打印来优化其设备的二氧化碳吸收能力。图片来自ORNL卡洛斯·琼斯(Carlos Jones)。
  ORNL 3D打印冷却策略
        使用3D打印,ORNL团队创建了一种将两个独立功能组合到一个阶段的设备,同时管理接触阶段和热交换。增材制造无需生产具有复杂冷却剂设计的组件,而是使研究人员能够将通道合并到包装好的设备中,而不会影响其几何形状。

        ORNL小组3D使用铝印刷了他们的原型,并设计了该设备在其规整填料的波纹板之间包括嵌入式冷却剂通道。最终的多功能设备直径为20.3厘米,高度为14.6厘米,内部冷却剂通道的总体积为600毫升。“该设备可以使用其他材料制造,例如新兴的高导热聚合物和金属,”设计该组件的ORNL研究人员Lonnie Love补充说。 “随着时间的推移,诸如3D打印之类的附加制造方法通常具有成本效益,因为与传统制造方法相比,印刷零件所需的时间和精力更少。”

该团队的多功能设备被证明能够捕获测试过程中排放的20%的二氧化碳

 该团队的多功能设备被证明能够捕获测试过程中排放的20%的二氧化碳。图片来自ORNL。
       为了测试其原型,ORNL团队将其安装到了一个吸收柱上,该吸收柱的高度为2.06 m,直径为20.3 cm。考虑到要花大量时间在设备附近积聚热量,研究人员将溶剂加热到70度,然后从下往上将其泵入色谱柱。使用二氧化碳计进行的传质测量表明,该团队的3D打印设备比市售的异位冷却替代产品更具吸收性。在其峰值时,二氧化碳的总浓度的20%(相当于360 SLPM的空气和90 SLPM的CO2)被其添加剂吸收剂捕获。据中国3D打印网了解,进一步的测试表明,增加的气流速率可以减少二氧化碳向团队设备中的传质。反过来,发现在冷却前将空气流速降低到264 SLPM可以提高捕获率,最多可吸收94%的碳。相比之下,该设备的热性能无法与商用热交换器相媲美,并且无法将其冷却至低于其最佳工作温度40oC。
         尽管如此,不管设备存在哪些热缺陷,ORNL的研究人员均得出结论,进一步优化设备的几何形状仍可以极大地改善其吸收的CO2量。 Sun总结说:“这种3D打印增强型设备的成功代表了进一步提高二氧化碳吸收效率的前所未有的机会,并证明了这一点。”
  3D打印中的环保创新
       近年来,研究人员已使用3D打印来减少大规模生产对广泛应用环境的影响。来自加泰罗尼亚能源研究所和加泰罗尼亚研究与高级研究所的科学家已经使用3D打印技术增强了固体氧化物燃料电池(SOFC)。 “新一代”能量电池可用于最终用途的发电应用中,或用于创建增强型能量存储设备。
        一个国际材料研究项目开发了一种3D可打印金属合金,可以使制冷冷却系统更节能。这种材料是镍和钛的组合,是一种形状记忆合金,可以反复转变以将热量抽出系统。
         同样,马来西亚Teknologi大学的研究人员提出了3D打印作为制造为热声冰箱(TAR)供电的板的替代方法。利用Stratasys系统,该团队设法将板的厚度增加了40%。

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(责任编辑:中国3D打印网)