碳捕获技术作为应对全球气候变化的关键策略，在石油化工、水泥和肥料等多个工业领域发挥着重要作用。然而，传统碳捕获方法的高能耗一直是限制其广泛应用的主要障碍。近日，麻省理工学院(MIT)的化学工程师们发现了一种简单而创新的方法，通过添加一种常见化学化合物，显著提高了碳捕获的效率和可行性。
传统碳捕获技术的瓶颈
当前，全球仅有约0.1%的碳排放被捕获并封存或转化为其他产品。最广泛使用的碳捕获方法是将废气含有二氧化碳的气体通过含有胺类化合物的溶液。这些溶液具有高pH值，能够吸收CO2这种酸性气体。除了传统胺类，碳酸盐等碱性化合物也能捕获CO2，且价格低廉、易于获取。
然而，传统碳捕获技术面临两大挑战：
- 吸收效率有限：随着CO2被吸收，溶液的pH值迅速下降，限制了CO2的吸收能力
- 能耗过高：无论胺类还是碳酸盐溶液，都需要加热至120°C以上才能释放捕获的碳，这一再生步骤消耗大量能源
三羟甲基氨基甲烷的创新应用
MIT研究团队在碳酸盐溶液中添加了三羟甲基氨基甲烷(tris)，这一常见于实验室实验、某些化妆品和COVID-19 mRNA疫苗中的化学物质，成功解决了上述问题。
pH值稳定机制
三羟甲基氨基甲烷作为一种pH缓冲剂，能够防止溶液pH值变化。当添加到碳酸盐溶液中时，带正电的三羟甲基氨基甲烷会平衡吸收CO2时形成的碳酸氢根离子的负电荷，从而稳定pH值，使溶液能够吸收三倍量的CO2。
温度敏感性的优势
三羟甲基氨基甲烷对温度变化高度敏感。当富含CO2的溶液被略微加热至约60°C时，三羟甲基氨基甲烷迅速释放质子，导致pH值下降，使捕获的CO2气泡释放出来。
"在室温下，溶液可以吸收更多CO2，通过轻微加热即可释放CO2。当我们稍微加热溶液时，pH值会立即发生变化，"研究的主要作者、北卡罗来纳大学教堂山分校应用物理科学助理教授Youhong (Nancy) Guo解释道。
技术优势与实际应用
显著降低能耗
新方法将碳捕获温度从传统方法的120°C以上降至仅需60°C，这一突破性改进大幅降低了能源消耗。由于系统可以在相对较低温度下运行，能源来源更加灵活，可以来自太阳能电池板、电力或工厂已经产生的废热。
简单易行的改造方案
研究人员表示，用碳酸盐-三羟甲基氨基甲烷溶液替代传统胺类化合物对工业设施来说相对简单。"这种方法的一个优点是其整体设计的简单性。这是一种即插即用的方法，可以轻松实现不同溶液之间的转换，"资深作者、MIT化学工程实践教授Ralph Landau T. Alan Hatton指出。
实验验证
为验证这一方法，研究团队构建了一个连续流反应器进行碳捕获。首先，含有CO2的气体通过装有碳酸盐和三羟甲基氨基甲烷的储层，吸收CO2。然后，该溶液被泵入CO2再生模块，加热至约60°C以释放纯净的CO2流。一旦CO2被释放，碳酸盐溶液被冷却并返回储层，开始新一轮的CO2吸收和再生。
行业专家评价
华盛顿州立大学化学工程与生物工程副教授David Heldebrant评价道："由于钾碳酸盐具有高化学稳定性、低成本和几乎零排放的特点，它是碳捕获领域的理想溶剂。我相信这种电化学三羟甲基氨基甲烷促进的钾碳酸盐溶剂系统在碳捕获领域有很大潜力，特别是研究人员能够通过在常压下再生，而不是通常使用的真空辅助再生，来改善能源效率。"
未来发展方向
Youhong Guo目前正在探索是否可以通过其他添加剂进一步提高碳捕获效率，通过加速CO2吸收速率。
关于捕获碳的最终去向，Hatton教授表示："从工业工厂捕获的碳中，一部分可以用于制造其他有用产品，但大部分最终可能被封存在地下地质构造中。在市场饱和之前，你只能使用一小部分捕获的CO2来生产化学品。"
研究背景与支持
这项研究得到了Eni S.p.A.公司的大力支持，双方在MIT-Eni研究框架协议下进行了富有成效的讨论。
图：新型碳捕获技术示意图，展示了如何在较低温度下高效捕获和释放二氧化碳
意义与前景
这项创新技术为应对气候变化提供了新的解决方案。通过显著降低碳捕获的能源需求和成本，这项技术有望加速碳捕获技术的商业化和广泛应用，为实现全球碳中和目标提供重要支持。
随着全球对气候变化应对措施的日益重视，这种简单、高效、经济的碳捕获方法可能会在未来的工业脱碳过程中发挥关键作用，帮助各行业减少碳排放，同时保持经济竞争力。
结语
MIT的这一突破性研究展示了科学创新在解决全球性挑战中的潜力。通过一种简单而巧妙的化学方法，研究人员不仅提高了碳捕获效率，还大幅降低了能源消耗，为工业碳捕获技术的未来发展开辟了新路径。这种基于三羟甲基氨基甲烷的碳捕获系统，凭借其高效、经济和易于实施的特点，有望在不久的将来在全球范围内得到广泛应用，为应对气候变化做出实质性贡献。
