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凝聚态物理 > 软凝聚态物理

arXiv:2508.02650v1 (cond-mat)
[提交于 2025年8月4日 ]

标题: 一种直接空气捕集系统的设计与演示,通过水分驱动将CO2输送到水相中

标题: Design and demonstration of a direct air capture system with moisture-driven CO2 delivery into aqueous medium

Authors:Justin Flory, Samantha Taylor, Shuqin Li, Sunil Tiwari, Garrett Cole, Amory Lowe, Lindsey Hamblin, Samuel Piorkowski, Matthew Ryan, Thiago Stangherlin Barbosa, Jason Kmon, Nick Lowery, Joel Eliston, Jason C. Quinn, John McGowen, Matthew D. Green, Klaus Lackner, Wim Vermaas
摘要: 一种由湿度驱动的空气捕集(DAC)系统被设计并展示。在一个层流罩中展示了一个实验室规模的系统,每天可提供约1克二氧化碳,并且在4.2平方米(面积表面)的跑道池中,在户外运行了一个小型试点规模的系统,每天可提供约100克二氧化碳。设计了延长的网管包,以包含具有高表面积的AER珠子,用于接触空气,并发现与较大的网袋相比,可将干燥和二氧化碳负载时间减少约4倍。尽管该系统是为培养光合微生物提供二氧化碳而设计的,但其潜在用途更为广泛,包括在食品和饮料行业使用二氧化碳、转化为燃料和化学品以及封存。基于当前结果的实际情景的技术经济评估为将二氧化碳捕获到碱性溶液中的成本为每吨670美元,以及从溶液中提取、纯化并压缩到15兆帕进行封存的额外成本每吨280美元。一个有抱负的情景模型,合理改进以开发具有4毫摩尔二氧化碳每克吸附剂和50重量%吸水率的AER吸附剂,这导致吸附剂在1小时内完成干燥和负载,显示了将二氧化碳捕获到碱性溶液中的成本可能达到每吨51美元,以及额外的每吨109美元以达到15兆帕进行封存。生命周期分析显示,这种有抱负的湿度驱动过程通过利用水蒸发的能量,比热和/或真空摆动DAC节省多达87%的能量;然而,吸附剂在亲水网包中吸收约330重量%的水分会导致用水量比热力学极限高约33倍,这强调未来的研究需要提高吸附剂的疏水性,同时保持并进一步增加所需的离子交换能力以结合二氧化碳。
摘要: A moisture-driven air capture (DAC) system was designed and demonstrated. A laboratory-scale system delivering ~1 g CO2 per day was demonstrated in a laminar flow hood and a small pilot-scale system that could deliver ~100 g CO2 daily was operated outdoors in a 4.2 m2 (areal surface area) raceway pond. Elongated mesh tube packets were designed to contain AER beads with high surface area for contacting the air and were found to reduce drying and CO2 loading time ~4-fold over larger mesh bags. Whereas this system was designed for CO2 delivery for cultivating photosynthetic microbes, its potential uses are much broader and include CO2 use in the food and beverage industry, conversion to fuels and chemicals, and sequestration. Techno-economic assessments for a practical scenario based on current results are \$670/tonne to capture CO2 into an alkaline solution and an additional \$280/tonne to extract CO2 from solution, purify and compress to 15 MPa for sequestration. An aspirational scenario modelling reasonable improvements to develop AER sorbents with a capacity of 4 mmol CO2 per gram of sorbent and water uptake of 50 wt.%, which leads to sorbent drying and loading within 1 h, shows a potential to reach \$51/tonne to capture CO2 into an alkaline solution and an additional \$109/tonne to get to 15 MPa for sequestration. Life cycle analysis shows the aspirational moisture-driven process uses up to 87% less energy than thermal and/or vacuum swing DAC by using energy from water evaporation; however, ~330 wt.% water uptake by the sorbent contained in a hydrophilic mesh packets leads to ~33-fold higher water use than the thermodynamic limits, which emphasizes future research is needed to increase sorbent hydrophobicity while maintaining and further increasing ion exchange capacity needed to bind CO2.
评论: 14页,11图。将提交至《能源与环境科学》
主题: 软凝聚态物理 (cond-mat.soft) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci); 其他凝聚态物理 (cond-mat.other)
引用方式: arXiv:2508.02650 [cond-mat.soft]
  (或者 arXiv:2508.02650v1 [cond-mat.soft] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.02650
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Justin Flory [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 8 月 4 日 17:42:15 UTC (3,249 KB)
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