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Green Energy & Environment｜光驱动的低能耗CO2变温吸附

已有 1595 次阅读 2022-12-26 14:19 |系统分类:论文交流

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研究背景

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）气候报告称，预计2030年至2052年间，全球气温将比工业化前水平升高1.5-2 °C。因此，迫切需要在未来二三十年内通过减少二氧化碳（CO₂）排放来限制气候变化的严重影响。燃煤电厂烟道气是碳排放的主要来源之一，而化学吸收法是目前较为成熟且有效的一种燃烧后CO₂的捕集技术，但再生能耗高且设备腐蚀严重。基于固体吸附剂的变温吸附（TSA）是一种环保且有效的替代方法。考虑到TSA能耗最高的步骤是吸附剂的周期性加热和冷却，研究者开发了多种策略以降低能耗，例如，调整吸附剂的性质、利用低品阶热源、优化换热器的设计及使用传热效果更好的流化床/移动床等。然而，吸附剂的工作容量和能量输入之间存在权衡关系，导致目前的改进方法效果有限。

图文解读

图1. 结合辐射制冷和太阳能加热的变温系统用于驱动CACs捕获CO₂的示意图。

在本研究中，南京工业大学孙林兵教授团队构筑了一种结合辐射制冷和太阳能光热技术的低能耗变温系统（图1），在吸附/脱附环中通过对太阳光进行选择性地利用，从而实现了对吸附剂的冷却和加热，进而降低TSA技术捕获CO₂的能耗。该系统以商业活性炭（CACs）为吸附剂。吸附时，将多级孔聚（偏二氟乙烯-co-六氟丙烯）膜[P(VdF-HFP)_HP]覆盖在吸附剂床层的顶部。在太阳光照射下，通过P(VdF-HFP)_HP的辐射制冷将吸附剂冷却；脱附时，将具有宽太阳能吸收带的CACs暴露在太阳光照射下进行加热，整个过程完全由太阳能驱动。

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图2. 辐射制冷性能：426 μm厚P(VdF-HFP)_HP膜的（a）SEM图和（b）实物照片；（c）用于CO₂捕获的吸附/脱附系统的照片，吸附剂填充在吸附装置中，利用太阳光功率计和多路温度数据记录仪记录太阳强度和环境温度；不同厚度P(VdF-HFP)_HP膜的（d）反射和（e）发射光谱；（f）在700 W m²的模拟太阳光照射下，P(VdF-HFP)_HP膜下的温度测量和（g）相应的温差。

本研究制备的P(VdF-HFP)_HP聚合物膜为多孔结构（图2a-c），其小孔小于1 μm，而大孔可达30 μm。由于孔径尺寸主要集中在太阳光辐射波段（0.3-2.5 mm），因而可以有效地反射太阳光及增强热辐射。紫外-可见近-红外漫反射表征结果发现（图2d），随着厚度的增加，P(VdF-HFP)_HP膜对太阳光的反射率逐渐增加，这是因为其孔径与太阳光辐射波长接近，厚度的增加会增强聚合物-空气界面之间的光散射效应。傅里叶变换红外吸收光谱表征结果表明，膜厚度变化不会影响红外发射率（图2e），因为其热辐射来源于自身结构中C-F键的振动。426 μm厚的P(VdF-HFP)_HP涂层表现出最高的平均太阳反射率（93.03%），而其平均红外热发射率为91.15%，并且在700 W m²的太阳光照射下表现出良好的辐射制冷性能（图2f-g）。

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图3. 太阳能加热效果和吸附剂的选择：（a）在36.4 °C空气温度，700 W m²的模拟太阳光照射下，P(VdF-HFP)_HP膜下（辐射制冷）和膜上（太阳能加热）CACs的吸附剂温度；（b）CAC-4 在0.3-15 μm波长范围内的吸收光谱；（c）CAC-4在700 W m²模拟阳光照射下的热成像图像；（d）CACs吸附剂的N₂吸附-脱附等温线和（e）孔径分布；CACs在（f）35 °C和（f）60 °C下的CO₂吸附等温线；（h）CACs对CO₂的等量吸附热曲线；（i）基于等量吸附热和再生率的吸附剂筛选。

在36.4 °C、700 W m²的太阳光辐射下，所有吸附剂样品的温度都可以升高到57.5 °C以上（图3a）。其中，CAC-4的温度可达59.5 °C，与P(VdF-HFP)_HP膜辐射制冷作用下的温度差约为26.3 °C。计算结果表明，CAC-4在太阳光辐射波段（0.3-2.5 μm）的平均吸收率高达96.22%（图3b），表明其可以将收集到的大部分太阳能转化为热能，热成像图像清晰地提供了其在模拟太阳光照射下的热量分布（图3c）。通过测定CO₂和N₂吸附等温线得知（图3f-g），CAC-4对CO₂的初始等量吸附热为13.17 kJ mol^-1，明显低于其他几种工业活性炭（图3h-i）。

吸附装置的结构示意图展示在图4a，CAC-4位于P(VdF-HFP)_HP膜上方时，温度为55.9 °C（中心温度），冷却后相应的温差可在900 s内达到23.2 °C。该系统在与N₂吹扫相结合下，CAC-4获得了最高的动态再生率（约为41.26%）（图4c）,比得上大多数商业活性炭的TSA工作容量（图4d）。循环再生实验表明，该样品在本TSA系统中具有优异的CO₂吸附可逆性（图4e），而且在真实太阳光的测试中实现了CO₂的吸附和脱附（图4f）。

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图4. 动态吸附性能：（a）测量装置结构示意图；（b）CAC-4 在太阳能加热和辐射制冷两个工作条件下的穿透曲线；（c）CACs动态再生率；（d）CAC-4与传统TSA中报告的其他活性炭的CO₂工作容量比较；（f）700 W m²模拟阳光下，CAC-4对CO₂的吸附-脱附循环（“RC”和“SH”分别指辐射制冷和太阳能加热两种工作状态）；（e）真实太阳光下CAC-4的工作性能。

总结与展望

综上，本研究开发了一种结合辐射制冷和太阳能光热技术的低能耗变温系统，选择P(VdF-HFP)_HP聚合物膜为辐射制冷体，黑色商业活性炭作为CO₂吸附剂。在吸附/脱附循环中通过对太阳光进行选择性地利用，避免了加热和冷却过程的能源消耗。在700 W m²的太阳光照射下，该系统在与N₂吹扫相结合下，能获得与传统的TSA过程相当的工作容量。这一工作可能为低能耗TSA技术的开发提供研究思路。

文章信息

本文以“Low-energy-consumption temperature swing system for CO₂ capture by combining passive radiative cooling and solar heating”为题发表在Green Energy & Environment期刊，第一作者为党迎喜博士研究生，通讯作者为南京工业大学谈朋副教授与孙林兵教授。