通过铝层压技术提升固体胺蜂窝吸附剂在直接空气捕集中的热导率与解吸速率

《Separation and Purification Technology》：Enhanced thermal conductivity and desorption rate in direct air capture via aluminum lamination of solid amine honeycomb adsorbents

　　

摘要

利用固体胺吸附剂并结合废热或太阳能的温变吸附技术，是降低直接空气捕集过程中能耗的一种有效方法，而直接空气捕集则是实现负排放的关键技术。不过，固体胺吸附剂的热导率较低，这会延长解吸时间并限制其性能。为此，我们开发了带有铝箔层叠的蜂窝结构固体胺吸附剂，以此提升热量传递效率，加快二氧化碳的解吸速度。首先，我们在不同的二氧化碳浓度（200、400和1000 ppm）和相对湿度（0%–70% RH）条件下，于25至60摄氏度之间的温度范围内进行了突破性实验，验证了这类吸附剂在直接空气捕集中的应用可行性。值得注意的是，二氧化碳的吸附能力会随二氧化碳浓度和相对湿度的变化而改变。其次，通过在大流量较低的条件下使用较大样本柱进行的突破性实验，我们对解吸动力学进行了分析，结果表明铝箔层叠结构能够加速二氧化碳的解吸，尽管二氧化碳的吸附能力有所下降，但在初始阶段解吸的二氧化碳量却有所增加。此外，在20次循环测试中，铝箔层叠结构的吸附剂在解吸的二氧化碳总量以及吸附剂利用率方面均优于传统蜂窝结构吸附剂。最后，通过单侧冷却/加热系统在温变吸附操作过程中获得的时空温度分布数据显示，与传统蜂窝结构相比，铝箔层叠蜂窝结构在远离换热器的区域具有更高的温度响应性，体现了更优异的传热性能。因此，铝箔层叠技术能有效提升蜂窝结构吸附剂在间接加热型温变吸附过程中的直接空气捕集性能。

引言

人类通过燃烧化石燃料产生的温室气体排放是导致全球变暖的主要因素，进而引发了广泛且不可逆转的气候变化[1]。为减轻气候变化对全球环境的严重影响，联合国在2015年的巴黎协定中设定了目标，要求将全球平均气温升幅控制在比工业化前水平高1.5–2摄氏度以内，这就需要减少温室气体排放。与此同时，人们也开发出了多种技术，旨在从源头减少温室气体排放。不过，这些技术主要适用于工业领域产生的大规模温室气体排放，仅占温室气体总量的50%。其余50%的温室气体则来自分散式排放源[2]，比如交通运输领域，这类排放源很难在源头进行回收处理。

直接空气捕集技术作为一种有望从大气中去除二氧化碳的技术正逐渐受到重视[3]，它不仅可以处理分散式的二氧化碳排放，还能处理历史积累的二氧化碳排放。截至目前，全球已有27座直接空气捕集装置投入运行，每年可捕获约0.01百万吨二氧化碳[4]。为了实现1.5摄氏度的气温控制目标，预计在2020年至2100年间，直接空气捕集技术将能捕获多达310百亿吨的二氧化碳[5]。尽管直接空气捕集技术的应用正在迅速扩展，但仍有进一步扩大的必要。

直接空气捕集技术规模化发展的主要障碍之一是其极高的能源需求，这一需求可能会削弱该技术的净负效应。在直接空气捕集过程中，热能几乎占到了总能源需求的80%，其余部分则为电能[4]、[6]、[7]。由于吸附剂具有较高的热容量，大部分热能都用于吸附剂的再生过程。因此，减少再生过程中的热能消耗是降低直接空气捕集系统能耗的关键策略。

采用固体胺吸附剂的温变吸附技术适合用于节约热能，因为太阳能和废热都可以作为再生过程的熱源。在直接空气捕集过程中，由于需要从极低浓度的环境中捕获大量二氧化碳，所以通常会使用蜂窝结构吸附剂，这类吸附剂具有较低的压降和较大的气体接触面积。然而，传统的固体胺蜂窝结构吸附剂的传热性能较差；虽然不同类型、尺寸和形态的固体支撑材料的导热系数存在一定差异，但现有研究显示固体胺吸附剂的导热系数一般在0.2到0.32瓦特/米·开尔文之间[8]。最近的一些材料研究表明，将碳基材料作为胺类物质的载体[9]，或作为胺功能化硅质支撑材料的中间层[10]，可以提高固体胺吸附剂的导热系数（见表1）。不过，其导热系数仍然只有金属的百分之一左右。如此低的导热系数会延长解吸时间，从而降低直接空气捕集系统的性能，尤其是在那些采用间接加热且传热表面有限的温变吸附系统中。

在那些基于加热/冷却操作的工艺中，比如基于吸附的空调系统和催化应用，人们已经开发出了多种方法来提高反应器的导热性能，从而提升工艺的效率和稳定性（见表1）。在填充有吸附剂或催化剂颗粒的填充床反应器中，使用结构化填料[11]、[12]，或在填充床中加入金属填充物[13]、[14]，都能有效提升传热效率，改善反应器性能。此外，还在吸附剂或催化剂涂覆层的结构化反应器中得到了广泛应用，这类反应器能够增加传热表面积，同时降低压降。这些方法最近也被应用于燃烧后排放源的二氧化碳回收领域。例如，有研究通过实验和建模相结合的方法证明，使用填充有吸附剂的铝制开孔泡沫材料，能够提升温变吸附过程中吸附剂内的热量传递效率以及温度分布的均匀性，其工艺效率比普通填充床高出约80%[18]。Vannak等人通过实验发现，与使用相同结构的吸附剂填充的换热器相比，使用涂覆有吸附剂的翅片管换热器时，即使在涂覆的吸附剂量仅为后者的三分之一的情况下，也能获得相似的二氧化碳浓度和更高的二氧化碳回收率[19]。不过，这些方法难以应用于大规模的直接空气捕集系统中：前者会增加系统压降，后者则可能导致涂覆的吸附剂出现分层或磨损现象。尽管如此，人们普遍认为，在热源和吸附剂之间加入金属介质，能够显著提升整体的导热性能，从而提高系统性能，即便这会导致吸附能力有所下降。

在本研究中，我们制备了铝箔层叠结构的固体胺蜂窝吸附剂，旨在提升其导热性能，以便在直接空气捕集过程中得到更好应用，同时还将这类吸附剂与传统蜂窝结构吸附剂进行了性能对比。为了验证所开发吸附剂的可行性，我们在模拟直接空气捕集操作的条件下，针对不同的二氧化碳浓度和湿度水平，研究了这些吸附剂的基本吸附/解吸特性。随后，我们利用大流量较低的实验条件以及较大的样本柱，根据突破曲线分析了受导热性能影响的解吸动力学规律。接着，我们在环境空气中进行了循环实验，以评估铝箔层叠蜂窝结构吸附剂在直接空气捕集应用中的稳定性和有效性。此外，我们还通过单侧加热/冷却系统在蜂窝结构样品中检测了时空温度分布情况，以此验证铝箔层叠结构对传热性能的影响。研究结果证实，铝箔层叠结构确实能有效降低传热阻力，为提升大规模直接空气捕集系统的处理能力和温度响应速度提供了有效的解决方案。

章节节选

铝箔层叠结构的固体胺蜂窝吸附剂

图1展示了本研究所使用的固体胺蜂窝吸附剂的结构。作为胺类物质浸渍载体的硅胶片厚度约为0.2毫米，这些硅胶片是通过硅胶纸浆法制备而成的。传统蜂窝结构吸附剂被命名为“普通型”，其结构是由交替层叠的衬层和波纹状硅胶支撑层构成的。为了提升固体胺蜂窝吸附剂的导热性能，我们用铝箔衬层替代了原有的硅胶衬层。

铝箔层叠固体胺蜂窝吸附剂的吸附/解吸行为及吸附能力

吸附剂的二氧化碳吸附/解吸行为及其吸附能力，是决定直接空气捕集系统性能的关键因素。因此，我们通过突破性实验来研究这些特性。

首先，我们在25摄氏度条件下获得了单组分平衡吸附等温线，以此确认胺类物质浸渍的均匀性以及采样方法对实验结果的影响。图S1展示了聚焦于直接空气捕集应用范围内的二氧化碳等温线数据，同时也展示了完整的等温线范围。无论哪种情况

结论

通过突破性实验、循环实验以及单侧加热/冷却温变吸附实验，我们证明了铝箔层叠结构的固体胺蜂窝吸附剂在采用间接加热型温变吸附技术的直接空气捕集应用中的可行性和有效性。与传统的蜂窝结构吸附剂“普通型”相比，本研究中所制备的铝箔层叠吸附剂——其中“单层型”是指用铝箔衬层替代固体胺衬层，“双层型”则是在原有结构之间添加铝箔衬层——

作者贡献说明

江口由香子：撰写原始稿件、开展实验研究、负责数据可视化处理。大阪雄吾：负责结果验证、开展正式数据分析。辻口拓也：负责稿件审阅与编辑工作、开展正式数据分析。小玉昭夫：负责稿件审阅与编辑工作、承担项目监管职责、开展实验研究、负责资金筹措以及概念构思工作。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本文的研究成果源于日本新能源产业技术综合开发机构资助的一个项目（项目编号：JPNP18016）。我们还要感谢地球创新技术研究所提供的未公开发表的胺类溶液，以及该研究所协助完成的硅胶支撑材料的浸渍工作。同时，我们也感谢Edanz公司的Robert Ireland博士对本文草稿的润色工作（链接：https://jp.edanz.com/ac）。

江口由香子|大阪雄吾|辻口拓也|小玉昭夫

日本金泽市角间町，金泽大学前沿科学计划研究所，邮编920-1192