新型湿度驱动膜可从空气中清除二氧化碳

直接空气捕获

直接空气捕获技术被认定为‘改变世界的七大化学分离技术’之一。这是因为虽然二氧化碳是导致气候变化的主要因素（我们每年向大气中排放约400亿吨），但由于其浓度很低（约0.04%），从空气中分离二氧化碳极具挑战性。

英国纽卡斯尔大学工程学院新兴技术领域的皇家工程院主席伊恩·梅特卡夫教授兼首席研究员表示：“由于两个主要原因，稀溶液分离过程是最具挑战性的分离过程。首先，由于浓度低，针对去除稀组分的化学反应的动力学（速度）非常慢。其次，浓缩稀组分需要大量的能量。”

纽卡斯尔大学的研究人员（与新西兰惠灵顿维多利亚大学、英国伦敦帝国理工学院、英国牛津大学、英国斯特拉斯克莱德大学和英国伦敦大学学院的同事合作）正是为了解决这两个挑战而开发了他们的新型膜工艺。通过利用自然存在的湿度差异作为从空气中抽出二氧化碳的驱动力，团队克服了能源挑战。水的存在也加速了二氧化碳通过膜的传输，解决了动力学挑战。

该研究发表在《自然·能源》杂志上，英国纽卡斯尔大学工程学院皇家工程院院士格雷格·A·马奇博士解释说：“直接空气捕获将是未来能源系统的关键组成部分。它将需要捕获来自无法轻易通过其他方式脱碳的移动和分布式二氧化碳源的排放。”

“在我们的工作中，我们展示了第一种能够从空气中捕获二氧化碳并提高其浓度而无需传统能源输入（如热量或压力）的合成膜。我认为一个有用的类比可能是面粉厂的水车。磨坊利用水流的下坡运输来驱动研磨，而我们则用它来从空气中抽出二氧化碳。”

分离工艺

分离工艺是现代生活方方面面的基础。从我们吃的食物、服用的药物，到我们汽车中的燃料或电池，我们使用的大多数产品都经过了几道分离工艺。此外，分离工艺对于减少浪费和对环境修复的需求也很重要，例如直接捕获空气中的二氧化碳。

然而，在走向循环经济的世界中，分离工艺将变得更加重要。在这里，直接空气捕获可能被用来提供二氧化碳作为生产我们今天使用的许多碳氢化合物产品的原料，但在一个碳中和甚至碳负排放的循环中。

最重要的是，在向可再生能源和来自发电厂等点源的传统碳捕获转型的同时，直接空气捕获对于实现气候目标（如《巴黎协定》设定的1.5°C目标）至关重要。

湿度驱动的膜

英国纽卡斯尔大学工程学院高级讲师埃万杰洛斯·帕帕约安努博士解释说：“与典型的膜操作不同，如研究论文所述，团队测试了一种新的二氧化碳渗透膜，并对其施加了不同的湿度差异。当膜的输出侧湿度较高时，膜会自发地将二氧化碳泵入该输出流中。”

通过与UCL和牛津大学的合作者使用X射线微计算机断层扫描技术，团队能够精确地表征膜的结构。这使他们能够与其他最先进的膜进行可靠的性能比较。

这项工作的一个关键方面是在分子尺度上对膜中发生的过程进行建模。通过与惠灵顿维多利亚大学和伦敦帝国理工学院的一位合作者使用密度泛函理论计算，团队在膜内确定了“载体”。该载体独特地同时传输二氧化碳和水，但不传输其他任何物质。需要水从膜中释放二氧化碳，而需要二氧化碳从膜中释放水。因此，可以利用湿度差异产生的能量来驱动二氧化碳从低浓度通过膜传输到高浓度。

梅特卡夫教授补充道：“这是多年来真正的团队合作成果。我们非常感谢我们合作者的贡献，以及皇家工程院和工程与物理科学研究委员会的支持。”