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可控制的膜将二氧化碳从废气流中拉出

麻省理工学院化学工程师开发的新系统可以提供一种从废气流甚至空气中连续去除二氧化碳的方法。关键组件是一种电化学辅助膜,该膜对气体的渗透性可以随意设置和关闭,无需使用任何移动部件,并且能耗相对较低。

膜本身由阳极氧化铝制成,具有蜂窝状结构,由六角形开口组成,这些六角形开口在打开状态下允许气体分子流入和流出。然而,当电沉积一薄层金属以覆盖膜的孔时,可以阻止气体通过。T. Alan Hatton教授,博士后Liu Yayuan和其他四位作者在论文《科学进展》中描述了这项工作。

该团队说,这种新的“气体门控”机制可以应用于从一系列工业废气流和周围空气中连续去除二氧化碳。他们建立了一个概念验证设备来展示该过程的实际效果。

该设备使用夹在两个可切换气体门控膜之间的氧化还原活性碳吸收材料。吸附剂和门控膜彼此紧密接触,并浸入有机电解质中,以提供锌离子来回穿梭的介质。这两个门控膜片可以通过在两个门控膜片之间切换电压极性来电动打开或关闭,从而使锌离子从一侧穿梭到另一侧。离子通过在一侧上形成金属膜而同时阻塞一侧,而通过将其膜溶解掉而打开另一侧。

当吸附剂层向废气流过的一侧开放时,该材料很容易吸收二氧化碳,直至达到其容量。然后可以切换电压以阻断进料侧并打开另一侧,在此释放出几乎纯净的二氧化碳的浓流。

通过构建具有以相反相位运行的膜的交替部分的系统,该系统将允许在诸如工业洗涤器的设置中连续运行。在任何时候,一半的部分将吸收气体,而另一半则将其释放。

Hatton说:“这意味着您的进料流一方面进入系统,另一方面又从另一端流出。” “这种方法避免了许多过程问题”,这将在传统的多柱系统中涉及到,在该系统中,吸附床交替需要关闭,吹扫然后再生,然后再次暴露于进料气以开始下一个吸附循环。在新系统中,不需要吹扫步骤,并且所有步骤都在设备本身内干净进行。

研究人员的关键创新是使用电镀来打开和关闭材料中的孔。在此过程中,该团队尝试了多种其他方法可逆地封闭膜材料中的孔,例如使用可以定位为阻塞漏斗形开口的微小磁球,但这些其他方法并未证明足够有效。金属薄膜可以作为阻气层特别有效,并且在新系统中使用的超薄层需要的锌材料量最少,既丰富又便宜。

Liu说:“它可以用最少的材料制成非常均匀的涂层。” 电镀方法的一个重要优点是,一旦条件发生变化,无论处于打开位置还是关闭位置,都无需输入能量即可维持该状态。仅需要能量来再次切换回去。

这种系统有可能为限制温室气体向大气中的排放,甚至直接空气捕集已经排放的二氧化碳做出重要贡献。

Hatton说,尽管该团队最初的重点是从气流中分离二氧化碳的挑战,但该系统实际上可以适用于多种化学分离和纯化工艺。

他说:“我们对门控机制感到非常兴奋。我认为我们可以在各种应用程序中以不同的配置使用它。” “也许在微流控设备中,或者我们可以用它来控制化学反应的气体成分。存在许多不同的可能性。”

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