信州大学 日本科学家设计了一种门型吸附塔系统，可以捕获和分离混合气体CO2，从而降低工业来源的温室气体排放
信用:Shotaro Hiraide博士
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京都大学化学工程系 2015年的《巴黎协定》设定了减少二氧化碳排放的目标。二氧化碳是一种温室气体，导致全球变暖的程度比工业革命前高出不到2摄氏度
为了实现这一目标，有必要降低工业能耗，其中一半用于提纯、蒸馏和干燥化学品的分离过程
分离分子混合物需要大量的能量，而且成本很高
换句话说，开发高效节能的分离技术是当今世界面临的最重要挑战之一，其中CO2分离和捕获是降低温室气体的重中之重
用于分离分子混合物的吸附分离方法利用了特定分子被吸附在多孔材料中的特性
这就是净水器过滤器和冰箱除臭炭的工作原理
当气体混合物从填充有多孔材料(吸附剂)的吸附塔的一端注入时，与吸附剂强烈相互作用的分子被捕获到孔中
一些与吸附剂弱相互作用的分子也吸附在孔中，但大多数分子通过并流出吸附塔
通过加热或减压吸附塔的内容物来回收或解吸进入孔中的分子
为了选择性地将分子吸附到吸附剂中，需要更强的相互作用，但是解吸所需的能量相应增加
大幅度提高吸附分离效率的关键是找到具有某些矛盾性质的吸附剂，这些吸附剂可以选择性吸附大量的分子，并且容易脱附
压力真空变压吸附(PVSA)和温度变压吸附(TSA)工艺都是使用多孔材料的气体分离方法，比需要选择性沸腾和冷凝的蒸馏更节能
然而，PVSA和美国运输安全管理局也不是没有局限性
用这些技术很难实现高通量分离，因为压力损失是由于必要的系统扩大以及吸附塔底部吸附剂的破碎造成的
先前解决这些问题的努力已经引起了其他问题，例如由吸附产生的热，这导致吸附容量的降低，因此需要找到一种新的吸附材料，其表现出大的负载容量、高选择性和最小的吸附热，这些实际上是与已知材料相冲突的特性
因此，本研究的重点是“门型吸附剂”
这种材料的最大特点是它具有柔性结构
研究人员研究了ELM-11，一种柔性金属有机框架(MOF)，这是一种多孔材料，在特定的气压下具有“开门”和“关门”的特性
当气体混合物中包含的CO2浓度低时，ELM-11的孔是封闭的，不吸附CO2，但是当CO2浓度超过一定阈值时，孔迅速膨胀，并打开孔以捕获CO2分子
由于孔的打开和关闭行为就像一个门，它被称为门型吸附剂
ELM-11使其结构变形以封装CO2分子，因此表现出高的CO2选择性
此外，当气体混合物中的CO2浓度低于阈值时，ELM-11收缩其结构并释放所有吸附的CO2分子
换句话说，ELM-11具有非常适合CO2吸附和分离的特性
它选择性地吸附CO2并容易解吸CO2
对于废气中包含的CO2的吸附分离的实际应用，大量气体必须高速处理
问题是CO2吸附产生的热量
在传统的“硬”吸附剂中，吸附热会升高温度，导致CO2吸附减少和CO2选择性降低
ELM-11具有灵活的结构，当它吸收二氧化碳分子时会膨胀
研究小组关注的是ELM-11的膨胀可能会产生冷热量，并有效抑制CO2吸附引起的温升
首先，他们在ELM-11上进行了气体吸附实验，并进行了各种计算研究，以量化ELM-11的CO2分离能力
他们将性能数据与HKUST-1进行了比较，后者是一种传统的吸附剂，被认为是最有希望分离甲烷和二氧化碳气体混合物的吸附剂
数据显示榆树-11的CO2选择性为9
是HKUST 1号的7倍
每单位吸附剂重量的CO2回收率为2
是HKUST 1号的1倍，它没有内在的热管理能力
ELM-11被证明非常适用于高速吸附分离系统
研究人员设计了一个由两级吸附塔组成的高速吸附分离系统，其中一级装有HKUST-1
当气体混合物中的CO2浓度超过一定阈值时，ELM-11迅速膨胀并打开孔隙，吸附CO2分子
这意味着当气体中的CO2浓度由于CO2吸附在ELM-11上而下降到阈值时，剩余的CO2根本没有被吸附，并且随着CH4流出，这意味着没有获得高纯度的CH4气体
因此，为了防止这一问题，研究人员在装有ELM-11的吸附柱的后期安装了一个装有HKUST-1的小型吸附柱，该吸附柱对低浓度CO2气体具有优异的吸附特性
他们使用小型两级吸附柱对CH4和CO2的混合气体进行了突破性测量，并且能够确认获得了高纯度的CH4气体
两级吸附塔系统能够减少总塔体积，减少吸附剂用量，并降低能耗
乍看之下，该系统基于一个简单的想法，但是通过设计第一级吸附塔，可以以这种方式显著减小系统的尺寸，从而可以充分展示ELM-11的特性
利用榆树-11和HKUST-1特性的杂交系统非常有效
研究人员需要澄清三个问题，看看ELM-11是否具备现实生活中高通量分离过程所需的必要品质
首先，主机框架对开门的响应必须非常快
第二，分离特性必须在非等温条件下起作用，这是研究人员以前没有报道过的
第三，由低于门打开压力的气体分压的降低引起的“滑脱”现象，这使得柔性多孔膜不能吸附需要处理的分子
ELM-11表明，研究人员能够克服这三个问题，“滑脱”问题可以通过两级吸附塔来解决
此外，该系统还可应用于火力发电厂等CO2排放源的废气处理
为了将这种使用门型吸附剂的高速吸附/分离系统投入实际应用，需要解决由于柔性多孔膜的制粒而导致的门打开的障碍，以及由于颗粒体积膨胀而导致的压降
团队已经开始解决这些问题
目前这项研究的成果为气体分离的新时代打开了大门
相应的作者新潟大学的Hideki Tanaka指出，“这项研究花了3年时间才发表，我们对此非常感激，因为审稿人的多次反馈非常有见地，随后的重写使这项研究更具创新性和更好，最终导致这篇论文发表在《自然通讯》上
我很高兴京都大学的第一作者Shotaro Hiraide的辛苦终于得到了回报
"
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