基于离子膜的电化学DAC技术的开发与演示

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Development and demonstration of ion membrane-based electrochemical DAC technology

　　

Jeongho Choi | Gayoung Lee | Man Su Lee

韩国庆尚北道浦项市南区Cheongam-ro 67号N.EX.T Hub，POSCO Holdings氢能与低碳能源研发实验室

摘要

直接空气捕集（DAC）被认为是实现碳中和的重要负碳技术，目前全球正在进行广泛的研究和示范。通过DAC技术捕获的二氧化碳（CO?）有望成为长期替代化石燃料的碳源，并可用于生产电子燃料、建筑材料和各种化学品，此外还可以用于地下储存。本研究从概念阶段到实验室单元过程实验，展示了使用双极膜电渗析（BPMED）技术的电化学DAC开发过程，还包括小型试点工厂的设计和运行。与其他更接近商业化的DAC技术相比，电化学DAC技术具有在室温和常压下的温和工艺、快速的启停能力和可扩展性，使其非常适合与间歇性和分布式可再生能源集成。在最后一部分中，针对开发过程中发现的需要改进的方面提出了一些建议，以提高该技术的性能和经济效率。

引言

近几十年来，由于工业化加速和全球经济的扩张，二氧化碳（CO?）水平显著上升。（Storrs等人，2023年）温室气体尤其是CO?水平的升高是全球气候变化的主要因素，导致全球气温升高、海平面上升和极端天气事件频率增加。（Baker等人，2018年）《巴黎协定》强调了将温度升幅控制在工业化前水平以上2°C以内的全球承诺，这要求大幅减少温室气体排放，并在21世纪中叶实现净零排放。（Falkner，2016年）

自20世纪50年代以来，直接空气捕集（DAC）技术就被用于空气分离装置（ASU），以去除进入ASU冷却箱的空气中中的CO?，防止其在低温下凝结。（Keith等人，2018年）到了20世纪90年代末，DAC技术作为一种负碳减少方法出现，初衷与最初的目标相反。它成为负碳技术组合中的关键解决方案，以满足紧急的CO?减排需求并促进净零或负排放目标的实现。（国际能源署，2022年）到2050年代末每年实现10亿吨CO?负排放、到2090年代末每年实现20亿吨CO?负排放的紧迫性更加凸显，因为每年仍有约10-20亿吨CO?来自难以控制的来源，包括大量的农业甲烷和氧化亚氮排放。（联合国环境规划署）与传统的高浓度来源碳捕集方法不同，DAC在常浓度下捕获CO?。这使得它能够独立于特定的排放点进行灵活部署，有助于实现净零目标。（Li和Yao，2024年）

DAC技术在实现净零排放方面发挥着至关重要的作用，同时还为捕获的CO?提供了重要的利用机会。这种捕获的CO?可以用于增强型石油采收（EOR），将其注入半枯竭的油田以提高采收效率，从而实现碳封存和资源回收的双重效益。此外，通过氢化和电化学还原等过程，可以将DAC产生的CO?转化为有价值的燃料和电子化学品，如甲醇和合成碳氢化合物。（Erans等人，2022年）当使用来自可再生能源的CO?和氢气生产液相电子化学品（例如电子甲醇或电子硫酸盐燃料）时，其储存和运输能力将优于可再生能源本身的CO?或氢气，有助于克服可再生能源的间歇性和氢气运输的困难。这些应用不仅为CO?的循环利用提供了途径，也有助于循环碳经济的发展。

DAC系统通常包括三个相互连接的主要阶段：（i）空气-吸附剂接触，（ii）CO?捕获，以及（iii）CO?分离和吸附剂回收。在第一个和第二个阶段，使用风扇或鼓风机吸入大量环境空气并将其推入DAC单元，使空气能够有效地与选定的吸附剂（无论是液体吸收剂还是固体吸附剂）接触。最后，在第三个阶段，通过加热、真空、湿度摇摆或电化学过程将捕获的CO?从吸附剂中分离出来，并对吸附剂进行再生以便再次使用。这一阶段所需的能量，尤其是再生过程所需的能量，是DAC技术面临的主要挑战之一（Zhu等人，2022年）

在DAC系统中，吸附剂大致分为液体和固体两类，每种类别都有其独特的CO?捕获机制和操作特性。液体吸附剂，如NaOH或KOH的水溶液，通过成熟的碳酸盐形成循环来捕获CO?，但通常需要高温再生，从而产生较高的能量需求。（Zeman，2007年；Sodiq，2023年；Keith等人，2018年；Mostafa等人，2022年）相比之下，固体吸附剂（包括胺功能化聚合物、沸石和先进金属有机框架/共价有机框架（MOFs/COFs）在较低的再生温度下利用物理吸附或化学吸附，不仅提高了循环稳定性，还允许利用工业废热进行吸附剂再生，从而降低总体运营成本。（Xu等人，2024年；Wilson和Tezel，2020年；Sinha等人，2017年）特别是具有聚胺功能化孔隙的晶体共价有机框架显示出了直接从大气中捕获CO?的能力，表现出优异的稳定性（超过100个循环）、高容量（干燥条件下0.96 mmol/g，50%湿度下2.05 mmol/g）和低再生温度（60°C）。（Zhou等人，2024年）

最新的DAC技术进展集中在改进空气接触器的设计和开发新的再生方法上，例如温压摆动吸附（TVSA）（Zhu等人，2022年；Li和Yao，2024年；Aaro等人，2023年）、湿度摆动吸附（MSA）（Sodiq，2023年；Li和Yao，2024年）和电化学方法（Shu等人，2020年；Sharifian等人，2021年；Sabatino等人，2020年；Sabatino等人，2022年），以降低能耗并使大规模模块化操作更加实用。特别是，液态直接空气捕集（L-DAC）技术因适用于大规模空气处理及其易于与现有工业基础设施集成而受到广泛关注（Keith等人，2018年）。此外，电化学再生技术的进步，如双极膜电渗析（BPMED）和分段双极膜（SBPMs）的发展，为降低L-DAC过程的运营成本带来了巨大潜力（Sabatino等人，2020年）。然而，尽管有这些技术进步，专门针对将BPMED集成到L-DAC系统中的研究仍然有限。因此，本研究旨在提供新的见解并填补这一研究空白。在本文中，我们系统地研究了模块化L-DAC技术的适用性和集成潜力，旨在为未来大规模大气CO?去除开发出一种强大且可扩展的解决方案。

章节摘录

基于离子膜的电化学DAC技术的概念设计

电化学DAC过程的原理基于BPMED系统的特性，该系统设计用于从盐溶液中高效分离和生成酸和碱。在典型的BPMED堆栈中，三种类型的离子交换膜交替排列：双极膜（BPM）、阴离子交换膜（AEM）和阳离子交换膜（CEM）。最常见的酸碱生产配置是三室系统，由重复的...

单元过程的可行性研究

进行了CO?吸收、CO?分离和酸碱分离的单元实验，以验证使用BPMED系统的电化学DAC技术的技术可行性，并设计出一个集成工艺。这些实验的详细条件在S1-S3中呈现。

结论

在这项研究中，我们提出了基于离子膜的电化学DAC技术的概念设计、实验验证和试点规模运行结果。利用BPMED系统，我们证明了可以在室温和常压下高效捕获环境空气中的CO?，并生产高纯度的CO?。电化学DAC过程具有以下几个关键优势：

该过程在温和的条件下运行（室温和常压），这...

CRediT作者贡献声明

Jeongho Choi：方法学、撰写——初稿、正式分析、验证、数据整理。Gayoung Lee：撰写——初稿、正式分析、调查。Man Su Lee：概念化、方法学、撰写——审阅和编辑、撰写——初稿、监督。