【減碳大作戰】減低二氧化碳卻消耗更多能量?這不合理啊!

■環保意識高漲,有沒有更節能的方法捕捉二氧化碳並將其封存呢?

圖片來源:http://ppt.cc/XxBS
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撰文|方程毅

人類文明的進步伴隨大量二氧化碳排放並導致溫室效應惡化,這應該是大家再熟悉不過的故事了。聯合國氣候變化框架公約、京都議定書或碳交易等等的出現都是為了解決這項大難題,儘管政治上紛紛擾擾爭論不休,至今都無法凝聚各國共識,但是科學上針對如何減低碳排放量的研究卻是不曾停歇。雖然大家都知道要減碳,但讓二氧化碳排放量減少,可不是說說就能做到,發電廠或工廠也不是說減排就能減排,因此如果我們能把工廠或發電廠產生的二氧化碳封存起來,不讓他們排到空氣中,也不失為一個好辦法,既不會因為減排讓工廠或發電廠的效能降低,又能防止二氧化碳在空氣中的濃度繼續增高。

碳收集及儲存(Carbon capture and storage,又譯為碳封存)就是這樣的觀念,將二氧化碳本身或是將其轉成碳酸鹽類的形式封存在海洋或地下岩層中,以避免進入大氣層。但是這種方法有許多難以克服的障礙,除了要選擇適當的儲存地點之外,另一大難題就是如何把這些二氧化碳「捕捉」起來並運送到其他地方。捉二氧化碳可不像貓捉老鼠一樣簡單,補捉二氧化碳必須要讓二氧化碳分子能夠吸附(adsorb)在某種分子上,經過運送,再脫附(desorb)到目的地或進行下一階段的處理,因此不僅吸附是個問題,脫附也是個問題。

可想而知,容易吸附二氧化碳的分子一定不容易脫附二氧化碳。目前研究上主要用來吸脫附二氧化碳的分子為胺類(Amine)有機物。以胺類為主的吸脫附機制是低溫吸附、高溫脫附,也就是說在脫附二氧化碳的過程中必須加熱,通常要到120-150°C,但是加熱就需要能量,為了環保,封存二氧化碳卻需要用掉更多能量,怎麼說都不合理。因此降低脫附二氧化碳時的溫度,同時保持這個分子吸附二氧化碳的能力就顯得非常重要。柏克萊大學(UC Berkeley)化學系Jeffrey Long教授便研發出一種分子,可讓顯著降低脫附溫度,大大減少碳捕捉所消耗的能量,這項研究也被發表在2015年自然《Nature》期刊上。

Jeffrey Long教授使用的分子是二胺類(diamines),主體為金屬有機物再以含氮的化合物進行修飾,這類化合物相對比較穩定,藉由不同的合成方式可以在不同溫度下吸附二氧化碳,而脫附的溫度只需要比吸附溫度高50°C即可。能在不同溫度下吸附二氧化碳是一項很重要的功能,因為不同工廠或發電廠產生二氧化碳時的溫度都有所不同,如果只能在某些溫度下吸附二氧化碳,就必須要再多一道步驟,將二氧化碳升溫或降溫至該溫度才能進行吸附,無疑又是增加能源消耗。

除了溫度,反應時的壓力也同樣重要,因為氣體的壓力也代表氣體的密度(或濃度),如果能在二氧化碳壓力很低的狀況下行吸附反應,就能將二氧化碳濃度降得更低,Jeffrey Long教授也考慮到這項因素了,藉由替換不同的金屬,便可在不同的壓力下吸附二氧化碳,研究顯示二胺類可吸附二氧化碳的最低濃度為300ppm,空氣中二氧化碳濃度大約是400ppm,而許多國家希望可以將大氣中二氧化碳濃度降低至350ppm以防止不可逆的全球暖化。

不僅如此,這種二胺分子還有一項大優點,當一個二氧化碳分子吸附上去之後,會加速接下來的吸附速率形成一鏈鎖效應,讓反應時間大幅縮短,同樣的現象也發生在脫附的時候,一個二氧化碳分子離開會加速鄰近的二氧化碳分子脫附。

Jeffrey Long甚至指出他們研發出含鎂(Mg)的金屬二胺類的結構與自然界光合作用中固碳的酵素RuBisCO非常類似,這也是一個邁向低耗能碳收集及儲存的好消息。

原始論文:Thomas M. McDonald, Jarad A. Mason, Xueqian Kong, Eric D. Bloch, David Gygi, Alessandro Dani, Valentina Crocellà, Filippo Giordanino, Samuel O. Odoh, Walter S. Drisdell, Bess Vlaisavljevich, Allison L. Dzubak, Roberta Poloni, Sondre K. Schnell, Nora Planas, Kyuho Lee, Tod Pascal, Liwen F. Wan, David Prendergast, Jeffrey B. Neaton, Berend Smit, Jeffrey B. Kortright, Laura Gagliardi, Silvia Bordiga, Jeffrey A. Reimer, Jeffrey R. Long. Cooperative insertion of CO2 in diamine-appended metal-organic frameworksNature, 2015; DOI: 10.1038/nature14327

參考資料:

  1. New material captures carbon at half the energy cost
  2. Carbon capture and storage

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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