ORNL研究人員開發出3D打印的二氧化碳吸收裝置
該項目的首席研究員孫欣說:“在設計3D打印設備之前，由于二氧化碳填充塔的幾何形狀復雜，因此很難在CO2吸收塔中實現熱交換器的概念，通過3D打印，質量交換器和熱交換器可以共存于一個多功能的增強型設備中，控制吸收溫度對于捕獲二氧化碳是至關重要的。”
ORNL小組的多功能設備（如圖所示）比現有的同類設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）是限制許多工業過程中CO2排放的重要方法，也是應對氣候變化的關鍵武器。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。
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，規整填料，也可以通過無規填料（例如小環）來實現。結構化溶劑是CCS的最佳選擇，因為它們可引導流體通過定義明確且重復的流路，從而優化吸收性。
盡管MEA洗滌是一種有據可查的方法，但由于其溫度相關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雜性的增加常常導致更高的實施成本。
ORNL研究人員（如圖）使用3D打印來優化其設備的二氧化碳吸收能力。圖片來自ORNL卡洛斯·瓊斯（Carlos Jones）。
ORNL 3D打印冷卻策略
使用3D打印，ORNL團隊創建了一種將兩個獨立功能組合到一個階段的設備，同時管理接觸階段和熱交換。增材制造無需生產具有復雜冷卻劑設計的組件，而是使研究人員能夠將通道合并到包裝好的設備中，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，并設計了該設備在其規整填料的波紋板之間包括嵌入式冷卻劑通道。最終的多功能設備直徑為20.3厘米，高度為14.6厘米，內部冷卻劑通道的總體積為600毫升。“該設備可以使用其他材料制造，例如新興的高導熱聚合物和金屬，”設計該組件的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ORNL。
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測量表明，該團隊的3D打印設備比市售的異位冷卻替代產品更具吸收性。在其峰值時，二氧化碳的總濃度的20％（相當于360 SLPM的空氣和90 SLPM的CO2）被其添加劑吸收劑捕獲。據中國3D打印網了解，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備中的傳質。反過來，發現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，不管設備存在哪些熱缺陷，ORNL的研究人員均得出結論，進一步優化設備的幾何形狀仍可以極大地改善其吸收的CO2量。 Sun總結說：“這種3D打印增強型設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打印中的環保創新
近年來，研究人員已使用3D打印來減少大規模生產對廣泛應用環境的影響。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家已經使用3D打印技術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電應用中，或用于創建增強型能量存儲設備。
一個國際材料研究項目開發了一種3D可打印金屬合金，可以使制冷冷卻系統更節能。這種材料是鎳和鈦的組合，是一種形狀記憶合金，可以反復轉變以將熱量抽出系統。
同樣，馬來西亞Teknologi大學的研究人員提出了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，該團隊設法將板的厚度增加了40％。
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