非常便宜的解决方案？普通粘土材料可能有助于抑制甲烷排放

研究人员报告说，经过特殊处理，通常在猫砂中发现的称为沸石的矿物质可以有效地去除空气中的温室气体。

戴维·钱德勒 | 麻省理工学院新闻办公室 2022年1月10日

麻省理工学院的一组研究人员提出了一种控制甲烷排放并将其从空气中去除的有前途的方法，使用一种廉价而丰富的称为沸石的粘土。在这张图片中，沸石，被描绘成中间的复杂结构，吸收了通过它的甲烷。

甲烷是一种远比二氧化碳更强的温室气体，它在大气中存在的头二十年内就有显著的影响。最近在格拉斯哥举行的国际气候谈判中，减少甲烷排放被认为是迅速遏制全球气候变化的主要优先事项。

现在，麻省理工学院的一组研究人员提出了一种控制甲烷排放并将其从空气中去除的有前途的方法，使用一种廉价而丰富的称为沸石的粘土。这些发现发表在杂志上ACS环境联盟博士研究生丽贝卡·布莱奈斯、副教授德西蕾·普拉塔和另外两人在一篇论文中写道。

Plata说，尽管许多人将大气中的甲烷与石油和天然气的钻探和压裂联系在一起，但这些来源仅占全球甲烷排放量的18%。绝大多数排放的甲烷来自刀耕火种的农业、奶牛养殖、煤炭和矿石开采、湿地和融化的永久冻土。“大量进入大气的甲烷来自分散的源头，所以我们开始考虑如何从大气中提取甲烷，”她说。

研究人员找到的答案是非常便宜的东西——事实上，是一种特殊的“泥土”，或粘土。他们使用沸石粘土，这种材料非常便宜，目前被用来制作猫砂。研究小组发现，用少量铜处理沸石，可以使这种材料非常有效地吸收空气中的甲烷，即使浓度极低。

这个系统在概念上很简单，尽管在工程细节上还有很多工作要做。在他们的实验室测试中，铜增强沸石材料的微小颗粒，类似于猫砂，被装入一个反应管，然后随着甲烷浓度从百万分之二到百分之二的气体流流经该管，从外部加热。这个范围涵盖了大气中可能存在的一切，低至不能直接燃烧或燃烧的亚可燃水平。

普拉塔说，与其他从空气中去除甲烷的方法相比，这种方法有几个优点。其他方法倾向于使用昂贵的催化剂，例如铂或钯，需要至少600摄氏度的高温，并且倾向于需要在富含甲烷和富含氧气的流之间进行复杂的循环，这使得装置更加复杂并且更加危险，因为甲烷和氧气本身以及组合起来是高度可燃的。

“他们运行这些反应堆的600度的温度使得在甲烷周围几乎是危险的，”以及纯氧，Brenneis说。“他们只是通过制造一种即将发生爆炸的情况来解决问题。”高工作温度还会引起其他工程问题。不足为奇的是，这种系统并没有多大用处。

至于新工艺，“我想我们仍然对它的效果感到惊讶，”普拉塔说，他是吉尔伯特·w·温斯洛土木与环境工程副教授。这一过程似乎在300摄氏度左右达到最高效率，这比其他甲烷捕获过程需要的加热能量要少得多。它还可以在比其他方法更低的甲烷浓度下工作，即使是1%的小部分，大多数方法都无法去除，而且是在空气中而不是纯氧中，这是现实世界部署的一个主要优势。

该方法将甲烷转化为二氧化碳。鉴于全世界都在努力减少二氧化碳排放，这听起来可能是件坏事。“很多人听到‘二氧化碳’就会恐慌；他们说‘那不好’，”普拉塔说。但她指出，二氧化碳在大气中的影响远不如甲烷，甲烷作为温室气体在最初20年的影响约为80倍，在第一个世纪的影响约为25倍。这种效应源于甲烷在大气中随着时间的推移会自然转化为二氧化碳。她说，通过加速这一过程，这种方法将大大减少短期气候影响。此外，即使将大气中一半的甲烷转化为二氧化碳，后者的水平也只会增加不到百万分之一(约为今天大气中二氧化碳的0.2%)，同时减少约16%的总辐射变暖。

研究小组总结说，这种系统的理想位置应该是甲烷来源相对集中的地方，比如牛奶场和煤矿。这些来源往往已经有强大的空气处理系统，因为甲烷的积累可能是一个火灾，健康和爆炸的危险。为了克服突出的工程细节，该团队刚刚获得了美国能源部200万美元的资助，以继续开发在这些类型的位置去除甲烷的特定设备。

“开采空气的主要优势是我们可以移动大量的空气，”她说。“你必须吸入新鲜空气，让矿工能够呼吸，并降低富含甲烷的气穴引发爆炸的风险。因此，矿井中流动的空气量是巨大的。”她说，甲烷的浓度太低，无法点燃，但它在催化剂的最佳点。

将该技术应用于特定站点应该相对简单。Plata说，该团队在测试中使用的实验室设置“只有几个组件，你放在牛棚中的技术也可能非常简单”。然而，大量的气体并不容易通过粘土，因此下一阶段的研究将集中在如何以多尺度、多层次的配置来构造粘土材料，以帮助空气流动。

斯坦福大学地球系统科学教授罗布·杰克逊(Rob Jackson)没有参与这项工作，他说:“我们需要新的技术来氧化甲烷，其浓度低于火炬和热氧化器中使用的浓度。”。“目前还没有一种经济有效的技术来氧化浓度低于百万分之2，000的甲烷。”

杰克逊补充道:“对于这项工作以及所有类似的工作，还有许多问题需要解决:催化剂在野外条件下会多快结垢？我们能得到更接近环境条件的所需温度吗？当处理大量空气时，这些技术的可扩展性如何？”

这种新系统的一个潜在的主要优势是所涉及的化学过程会释放热量。通过催化氧化甲烷，该过程实际上是一种无焰燃烧。如果甲烷浓度高于0.5%，释放的热量大于启动过程所需的热量，这些热量可以用来发电。

该团队的计算表明，“在煤矿，你可以潜在地产生足够的热量来发电，这是非常了不起的，因为这意味着该设备可以收回成本，”Plata说。“大多数空气捕捉解决方案成本很高，而且永远不会盈利。我们的技术可能有一天会成为反例。”

她说，利用新的拨款，“在接下来的18个月里，我们的目标是证明这一概念可以在野外工作，”那里的条件可能比实验室更具挑战性。最终，他们希望能够制造出与现有空气处理系统兼容的设备，并且可以简单地作为一个额外的部件添加到适当的位置。普拉塔说:“煤矿应用程序意味着三年后你可以交给商业建筑商或用户。”

除了Plata和Brenneis，该团队还包括耶鲁大学博士生和前麻省理工学院博士后史。这项工作得到了格斯特纳慈善机构、先锋慈善信托基金、贝蒂·摩尔发明家研究员计划和麻省理工学院研究支持委员会的支持。