ORNL研究人員開發(fā)出3D打印的二氧化碳吸收裝置
該項目的首席研究員孫欣說:“在設(shè)計3D打印設(shè)備之前，由于二氧化碳填充塔的幾何形狀復(fù)雜，因此很難在CO2吸收塔中實現(xiàn)熱交換器的概念，通過3D打印，質(zhì)量交換器和熱交換器可以共存于一個多功能的增強型設(shè)備中，控制吸收溫度對于捕獲二氧化碳是至關(guān)重要的。”
ORNL小組的多功能設(shè)備（如圖所示）比現(xiàn)有的同類設(shè)備能夠捕獲更多的碳排放。 通過ORNL的Michelle Lehman。
吸收并減少二氧化碳排放
碳捕集與封存（CCS）是限制許多工業(yè)過程中CO2排放的重要方法，也是應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵武器。反過來，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。
為了實施吸收策略，需要將包含二氧化碳的煙氣流與與CO2具有化學(xué)親和力的溶劑直接接觸。單乙醇胺（MEA）是一種常用的溶劑，能夠與二氧化碳分子鍵合，并且其反應(yīng)使其迅速而有利地被另一種MEA分子取代。因此，MEA的吸收性使其非常適合捕獲有毒物質(zhì)。
考慮到CCS需要CO2擴散到整體液相中，因此也需要使氣流和液體溶劑之間的接觸面積最大化。擴大溶劑的表面積既可以通過開槽，規(guī)整填料，也可以通過無規(guī)填料（例如小環(huán)）來實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)化溶劑是CCS的最佳選擇，因為它們可引導(dǎo)流體通過定義明確且重復(fù)的流路，從而優(yōu)化吸收性。
盡管MEA洗滌是一種有據(jù)可查的方法，但由于其溫度相關(guān)的降解趨勢而并未得到廣泛采用。在高溫下，CO2的溶解度降低，這降低了其吸收能力，并限制了豐富的溶劑負載量。在高于80°C的溫度下，60％至80％的二氧化碳會被解吸，這嚴重阻礙了MEA防止碳排放的能力。階段間冷卻被吹捧為解決MEA過熱問題的解決方案。先前的研究表明，將溶劑抽出并通過熱交換器可以減少因溫度變化而損失的CO2量。這種非原位方法的缺點在于其復(fù)雜性的增加常常導(dǎo)致更高的實施成本。
ORNL研究人員（如圖）使用3D打印來優(yōu)化其設(shè)備的二氧化碳吸收能力。圖片來自O(shè)RNL卡洛斯·瓊斯（Carlos Jones）。
ORNL 3D打印冷卻策略
使用3D打印，ORNL團隊創(chuàng)建了一種將兩個獨立功能組合到一個階段的設(shè)備，同時管理接觸階段和熱交換。增材制造無需生產(chǎn)具有復(fù)雜冷卻劑設(shè)計的組件，而是使研究人員能夠?qū)⑼ǖ篮喜⒌桨b好的設(shè)備中，而不會影響其幾何形狀。
ORNL小組3D使用鋁印刷了他們的原型，并設(shè)計了該設(shè)備在其規(guī)整填料的波紋板之間包括嵌入式冷卻劑通道。最終的多功能設(shè)備直徑為20.3厘米，高度為14.6厘米，內(nèi)部冷卻劑通道的總體積為600毫升。“該設(shè)備可以使用其他材料制造，例如新興的高導(dǎo)熱聚合物和金屬，”設(shè)計該組件的ORNL研究人員Lonnie Love補充說。 “隨著時間的推移，諸如3D打印之類的附加制造方法通常具有成本效益，因為與傳統(tǒng)制造方法相比，印刷零件所需的時間和精力更少。”
該團隊的多功能設(shè)備被證明能夠捕獲測試過程中排放的20％的二氧化碳。圖片來自O(shè)RNL。
為了測試其原型，ORNL團隊將其安裝到了一個吸收柱上，該吸收柱的高度為2.06 m，直徑為20.3 cm。考慮到要花大量時間在設(shè)備附近積聚熱量，研究人員將溶劑加熱到70度，然后從下往上將其泵入色譜柱。使用二氧化碳計進行的傳質(zhì)測量表明，該團隊的3D打印設(shè)備比市售的異位冷卻替代產(chǎn)品更具吸收性。在其峰值時，二氧化碳的總濃度的20％（相當(dāng)于360 SLPM的空氣和90 SLPM的CO2）被其添加劑吸收劑捕獲。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，進一步的測試表明，增加的氣流速率可以減少二氧化碳向團隊設(shè)備中的傳質(zhì)。反過來，發(fā)現(xiàn)在冷卻前將空氣流速降低到264 SLPM可以提高捕獲率，最多可吸收94％的碳。相比之下，該設(shè)備的熱性能無法與商用熱交換器相媲美，并且無法將其冷卻至低于其最佳工作溫度40oC。
盡管如此，不管設(shè)備存在哪些熱缺陷，ORNL的研究人員均得出結(jié)論，進一步優(yōu)化設(shè)備的幾何形狀仍可以極大地改善其吸收的CO2量。 Sun總結(jié)說：“這種3D打印增強型設(shè)備的成功代表了進一步提高二氧化碳吸收效率的前所未有的機會，并證明了這一點。”
3D打印中的環(huán)保創(chuàng)新
近年來，研究人員已使用3D打印來減少大規(guī)模生產(chǎn)對廣泛應(yīng)用環(huán)境的影響。來自加泰羅尼亞能源研究所和加泰羅尼亞研究與高級研究所的科學(xué)家已經(jīng)使用3D打印技術(shù)增強了固體氧化物燃料電池（SOFC）。 “新一代”能量電池可用于最終用途的發(fā)電應(yīng)用中，或用于創(chuàng)建增強型能量存儲設(shè)備。
一個國際材料研究項目開發(fā)了一種3D可打印金屬合金，可以使制冷冷卻系統(tǒng)更節(jié)能。這種材料是鎳和鈦的組合，是一種形狀記憶合金，可以反復(fù)轉(zhuǎn)變以將熱量抽出系統(tǒng)。
同樣，馬來西亞Teknologi大學(xué)的研究人員提出了3D打印作為制造為熱聲冰箱（TAR）供電的板的替代方法。利用Stratasys系統(tǒng)，該團隊設(shè)法將板的厚度增加了40％。
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