在应对全球气候变化的挑战中，捕获工业排放的二氧化碳已成为关键策略。这一技术被广泛应用于石化、水泥和肥料等多个行业。然而，传统碳捕获方法的高能耗一直是其广泛应用的主要障碍。近期，麻省理工学院(MIT)的化学工程师们发现了一种简单而有效的方法，通过添加一种常见化学物质，显著提高了碳捕获的效率和可负担性，为这一领域带来了革命性的突破。
传统碳捕获技术的困境
目前，全球仅有约0.1%的碳排放被捕获并地下封存或转化为其他产品。最广泛使用的碳捕获方法涉及将废气含有化学物质胺类的溶液中。这些溶液具有高pH值，能够吸收二氧化碳这种酸性气体。除了传统胺类，碳酸盐这类基本化合物也能捕获酸性二氧化碳气体，且因其价格低廉、易于获取而具有优势。
然而，随着二氧化碳的吸收，溶液的pH值迅速下降，限制了二氧化碳的吸收能力。更为关键的是，一旦二氧化碳被吸收，胺类和碳酸盐溶液都必须加热到120°C以上才能释放捕获的碳，这一再生步骤消耗大量能源，成为整个过程中最耗能的环节。
MIT的创新解决方案
为了提高碳酸盐碳捕获的效率，MIT研究团队向碳酸钾溶液中添加了三羟甲基氨基甲烷(tris)。这种化学物质在实验室实验中常用，也存在于某些化妆品和COVID-19 mRNA疫苗中，它作为pH缓冲剂，有助于防止pH值变化。
当添加到碳酸盐溶液中时，带正电荷的三羟甲基氨基甲烷平衡了二氧化碳吸收时形成的碳酸氢根离子的负电荷，从而稳定了pH值，使溶液能够吸收三倍量的二氧化碳。
另一个显著优势是三羟甲基氨基甲烷对温度变化高度敏感。当富含二氧化碳的溶液被轻微加热至约60°C时，三羟甲基氨基甲烷迅速释放质子，导致pH值下降，捕获的二氧化碳随之释放出来。
"在室温下，溶液可以吸收更多二氧化碳，通过轻微加热就能释放二氧化碳。当我们稍微加热溶液时，pH值会立即变化，"该研究的 lead author Youhong (Nancy) Guo解释道。
技术优势与突破
这项创新带来了多项关键优势：
显著降低能耗：将二氧化碳释放温度从传统的120°C以上降至60°C，大幅减少了能源消耗。
提高吸收效率：溶液的二氧化碳吸收能力提高了三倍，使整个系统更加高效。
能源灵活性：由于系统可在相对低温下运行，能源来源更加多样化，可来自太阳能电池板、电力或工厂已产生的废热。
易于实施：这种解决方案采用'即插即用'的方式，工业设施可以轻松地从一种溶液切换到另一种溶液，无需大规模改造设备。
"这是可以立即在相当标准类型的设备中实施的技术，"该研究的资深作者、MIT化学工程实践教授T. Alan Hatton表示。
实际应用与系统设计
为了证明这种方法的有效性，研究人员构建了一个连续流动反应器用于碳捕获。首先，含有二氧化碳的气体被通入一个装有碳酸盐和三羟甲基氨基甲烷的储罐，吸收二氧化碳。然后，该溶液被泵入二氧化碳再生模块，加热至约60°C以释放纯二氧化碳流。
一旦二氧化碳被释放，碳酸盐溶液被冷却并返回储罐，进行另一轮的二氧化碳吸收和再生。
华盛顿州州立大学化学工程与生物工程副教授David Heldebrant评价道："碳酸钾是碳捕获的'圣杯'溶剂之一，因为它具有高化学稳定性、低成本和 negligible排放。我相信这种电化学促进的碳酸钾溶剂系统在碳捕获领域有很大前景，特别是研究人员能够在常压下再生，改进了能量效率，而通常需要真空辅助再生。"
未来展望与发展潜力
这项技术的应用前景广阔。当碳从工业植物中被捕获时，一部分可以用于制造其他有用的产品，但大部分最终可能被储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二氧化碳来生产化学品，"Hatton解释道。
目前，Guo正在探索是否可以通过添加其他添加剂来加速二氧化碳吸收速率，使碳捕获过程更加高效。此外，研究团队也在评估这项技术在各种工业环境中的适用性和经济可行性。
这项研究得到了Eni S.p.A.在MIT-Eni研究框架协议下的有益讨论支持，体现了学术界与产业界合作推动创新的重要性。
对气候行动的意义
这项创新技术对于实现全球气候目标具有重要意义。通过大幅降低碳捕获的成本和能源需求，这项技术使更多行业能够经济可行地实施碳捕获措施，加速向低碳经济的过渡。
与传统方法相比，这项技术不仅减少了能源消耗，还提供了更大的灵活性，可以利用可再生能源或废热作为能源来源，进一步减少碳足迹。
随着全球对气候变化的关注日益增加，这项技术的出现为工业减排提供了新的希望。它不仅是一种技术突破，更是应对气候变化挑战的重要一步，为实现《巴黎协定》的目标提供了实际可行的解决方案。
结论
MIT研究人员开发的这项碳捕获技术通过简单的化学添加剂，实现了效率的显著提升和能耗的大幅降低。这项创新不仅展示了科学研究的潜力，也体现了技术创新在应对全球挑战中的关键作用。随着这项技术的进一步发展和应用，我们有理由期待一个更加清洁、可持续的未来。
