3D打印设备增强了二氧化碳排放的捕获能力

由于正向反应过程中产生的热量，增强装置内的嵌入式冷却剂通道降低了色谱柱温度。

能源部的橡树岭国家实验室研究人员设计并添加了一种首创的铝制设备，可增强对化石燃料厂和其他工业过程所排放的二氧化碳的捕集。

减少全球范围内捕集温室气体（例如二氧化碳）排放的解决方案可解决在降低潜在的气候影响的同时继续使用低成本的国内化石燃料资源的问题。

2019年，ORNL研究人员Costas Tsouris和Eduardo Miramontes在吸收塔内部操作了强化设备，该设备包含商用不锈钢填料。

ORNL的设备着重于使用溶剂常规吸收碳的关键挑战：该过程通常会产生热量，从而限制了其整体效率。通过使用增材制造，研究人员能够定制设计一种多功能设备，该设备可以通过消除多余的热量同时保持较低的成本来极大地提高过程效率。

吸收是捕获CO2的最常用和最经济的方法之一，它使烟囱中的烟气流与可与气体反应的溶剂（例如单乙醇胺（称为MEA）或其他胺溶液）接触。

该团队测试了这种新型圆形设备，该设备在一个由7个商用不锈钢填料组成的1米高，8英寸宽的吸收塔内集成了热交换器和质量交换接触器。3D打印的增强设备安装在填料元件之间的色谱柱的上半部分。

通过增材制造，可以在色谱柱内安装一个热交换器，作为填料的一部分，而不会影响几何形状，从而使气流和液体流之间的接触表面积最大。

ORNL的主要研究人员之一Costas Tsouris表示：“我们称该设备为增强型设备，因为它可以通过原位冷却提高传质能力（从气体到液态的CO2传递量）。”“控制吸收温度对于捕获二氧化碳至关重要。”

新颖的3D打印增强设备由铝制成，并将热交换器和质量交换接触器集成到单个设备中，以增强二氧化碳的捕获能力。

当CO2与溶剂相互作用时，会产生热量，从而降低溶剂与CO2反应的能力。通过冷却通道减少色谱柱中的局部温度峰值，有助于提高CO2捕集的效率。

“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，很难在CO2吸收塔中实施热交换器概念。通过3D打印，质量交换器和热交换器可以共存于一个单一的多功能强化设备中，”该项目的主要研究人员ORNL的Xin Sun表示。

填料元件的波纹板内部增加了嵌入式冷却剂通道，以实现热交换能力。最终原型的直径为20.3厘米，高度为14.6厘米，总流体容量为0.6升。铝由于其出色的可印刷性，高导热性和结构强度而被选作增强设备的初始材料。

3月初，ORNL的Costas Tsouris，Xin Sun和Eduardo Miramontes合影，证明了3D打印的强化设备大大提高了二氧化碳的捕集效率。

该设备还可以使用其他材料制造，例如新兴的高热导率聚合物和金属。像3D打印这样的增材制造方法通常会随着时间的推移具有成本效益，因为与传统的制造方法相比，其打印零件所需的精力和精力更少。设计增强型设备的ORNL首席制造研究员Lonnie Love说。

该原型表明，它能够大大提高胺溶液对二氧化碳的捕获能力，之所以选择该胺溶液，是因为它对二氧化碳具有高度的反应性。在AIChE Journal上发表的结果中，ORNL研究人员进行了两个单独的实验-一个改变含CO2气体的流速，另一个改变MEA溶剂的流速。这些实验旨在确定哪种操作条件将对碳捕获效率产生最大的好处。

两项实验均显着提高了碳捕获率，并证明了捕获程度始终取决于气体流速。该研究还显示了在二氧化碳浓度为20％时的捕获峰值，根据操作条件的不同，捕获率的增加百分比在2.2％至15.5％之间。

Sun表示：“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。”

未来的研究将集中在优化操作条件和设备的几何形状上，以在碳捕获吸收过程中产生更多的改进。

参考：Eduardo Miramontes，Ella A. Jiang，Lonnie J.Love，Canhai Lai，Xin Sun和Costas Tsouris的“使用3D打印强化包装设备吸收二氧化碳的过程强化”，2020年5月30日，AIChE Journal.DOI：
10.1002 / aic.16285

这项工作是由美国能源部化石能源办公室赞助的。