Thiết bị in 3-D mới lạ thể hiện khả năng thu hút khí thải carbon dioxide được nâng cao

Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng đã thiết kế và sản xuất bổ sung một thiết bị bằng nhôm đầu tiên giúp tăng cường thu giữ carbon dioxide thải ra từ các nhà máy nhiên liệu hóa thạch và các quy trình công nghiệp khác.

Các giải pháp để giảm phát thải toàn cầu của các khí nhà kính giữ nhiệt như CO₂ giải quyết việc tiếp tục sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch trong nước, chi phí thấp đồng thời giảm thiểu các tác động tiềm tàng đối với khí hậu.

Thiết bị của ORNL tập trung vào một thách thức quan trọng trong quá trình hấp thụ carbon thông thường bằng dung môi: quá trình này thường tạo ra nhiệt có thể hạn chế hiệu suất tổng thể của nó. Bằng cách sử dụng sản xuất phụ gia, các nhà nghiên cứu đã có thể thiết kế tùy chỉnh một thiết bị đa chức năng giúp cải thiện đáng kể hiệu quả quy trình bằng cách loại bỏ nhiệt dư thừa trong khi vẫn giữ chi phí thấp.

Hấp thụ, một trong những phương pháp thông dụng và kinh tế nhất để thu giữ CO₂, đặt dòng khí thải từ ống khói tiếp xúc với dung môi, chẳng hạn như monoetanolamin, được gọi là MEA, hoặc các dung dịch amin khác, có thể phản ứng với khí.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thiết bị hình tròn mới lạ, tích hợp bộ trao đổi nhiệt với bộ tiếp điểm trao đổi khối lượng, bên trong cột hấp thụ cao 1 mét x rộng 8 inch bao gồm bảy phần tử đóng gói bằng thép không gỉ thương mại. Thiết bị tăng cường in 3-D được lắp đặt ở nửa trên của cột giữa các phần tử đóng gói.

Sản xuất phụ gia giúp có bộ trao đổi nhiệt trong cột, như một phần của các bộ phận đóng gói, mà không làm ảnh hưởng đến hình dạng, do đó tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc giữa dòng khí và chất lỏng.

“Chúng tôi gọi thiết bị tăng cường vì nó cho phép truyền khối lượng nâng cao (lượng CO₂ Costas Tsouris, một trong những nhà nghiên cứu chính của ORNL trong dự án, cho biết: được chuyển từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng) thông qua làm mát tại chỗ. “Việc kiểm soát nhiệt độ hấp thụ là rất quan trọng để thu giữ carbon dioxide.”

Khi CO₂ tương tác với dung môi, nó tạo ra nhiệt có thể làm giảm khả năng phản ứng của dung môi với CO₂. Giảm sự đột biến nhiệt độ cục bộ này trong cột thông qua các kênh làm mát giúp tăng hiệu quả của CO₂ chiếm lấy.

“Trước khi thiết kế thiết bị in 3-D của chúng tôi, rất khó để triển khai khái niệm bộ trao đổi nhiệt vào CO₂ cột hấp thụ vì hình học phức tạp của các phần tử đóng gói của cột. Với tính năng in 3-D, bộ trao đổi khối và bộ trao đổi nhiệt có thể cùng tồn tại trong một thiết bị đa chức năng, được tăng cường duy nhất, “Xin Sun, điều tra viên chính của dự án cho biết.

Các kênh làm mát nhúng đã được thêm vào bên trong các tấm sóng của phần tử đóng gói để cho phép khả năng trao đổi nhiệt. Nguyên mẫu cuối cùng có đường kính 20,3 cm, cao 14,6 cm, với tổng thể tích chất lỏng là 0,6 lít. Nhôm được chọn làm vật liệu ban đầu cho thiết bị cường lực vì khả năng in tuyệt vời, độ dẫn nhiệt cao và độ bền cấu trúc.

“Thiết bị cũng có thể được sản xuất bằng các vật liệu khác, chẳng hạn như các kim loại và polyme dẫn nhiệt cao mới nổi. Các phương pháp sản xuất phụ gia như in 3-D thường tiết kiệm chi phí theo thời gian vì tốn ít công sức và năng lượng hơn để in một bộ phận so với sản xuất truyền thống Lonnie Love, nhà nghiên cứu sản xuất chính tại ORNL, người đã thiết kế thiết bị tăng cường, cho biết.

Nguyên mẫu đã chứng minh rằng nó có khả năng tăng cường đáng kể khả năng thu giữ carbon dioxide với dung dịch amin, được chọn vì nó phản ứng cao với CO₂.

Trong kết quả được công bố trên Tạp chí AIChE, Các nhà nghiên cứu ORNL đã tiến hành hai thử nghiệm riêng biệt — một thử nghiệm làm thay đổi CO₂-tốc độ dòng khí duy trì và một tốc độ thay đổi tốc độ dòng dung môi MEA. Các thí nghiệm nhằm xác định điều kiện vận hành nào sẽ tạo ra lợi ích lớn nhất cho hiệu quả thu giữ carbon.

Cả hai thí nghiệm đều tạo ra những cải thiện đáng kể trong tốc độ thu giữ cacbon và chứng minh rằng độ lớn của việc thu giữ phụ thuộc vào tốc độ dòng khí. Nghiên cứu cũng cho thấy đỉnh điểm bắt giữ ở 20% nồng độ carbon dioxide, với phần trăm tỷ lệ tăng tỷ lệ bắt giữ dao động từ 2,2% đến 15,5% tùy thuộc vào điều kiện hoạt động.

Sun nói: “Sự thành công của thiết bị tăng cường in 3-D này cho thấy một cơ hội chưa từng có trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả hấp thụ carbon dioxide và chứng minh bằng chứng về khái niệm”.

Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện vận hành và hình dạng thiết bị để tạo ra các cải tiến bổ sung trong quá trình hấp thụ carbon.