直接空氣捕集被確定為"改變世界的七種化學分離技術"之一。這是因為，雖然二氧化碳是造成氣候變遷的主要因素（我們每年向大氣中排放約 400 億噸二氧化碳），但由於二氧化碳濃度稀釋（約 0.04%），從空氣中分離二氧化碳非常具有挑戰性。
紐卡素大學開發的一種新型膜技術利用濕度高效捕集二氧化碳，為實作氣候目標所必需的可持續直接空氣捕集提供了一種前景廣闊的解決方案。
英國紐卡素大學工程學院新興技術皇家工程院教席、首席研究員 Ian Metcalfe 教授指出："稀釋分離過程是最具挑戰性的分離過程，主要有兩個原因。首先，由於濃度低，以去除稀釋成分為目標的化學反應動力學（速度）非常緩慢。其次，濃縮稀釋成分需要大量能量。"
這就是紐卡素的研究人員（與紐西蘭威靈頓維多利亞大學、英國倫敦帝國理工學院、英國牛津大學、英國斯特拉思基利德大學和英國倫敦大學學院的同事們一起）打算用他們的新膜工藝來解決的兩個難題。透過利用自然產生的濕度差異作為從空氣中抽取二氧化碳的動力，研究小組克服了能源挑戰。水的存在也加速了二氧化碳在膜中的傳輸，從而解決了動力學難題。
這項研究成果發表在【自然-能源】雜誌上，英國皇家工程院院士 Greg A. Mutch 博士也參與了這項研究。Mutch 博士解釋說："直接空氣捕集將是未來能源系統的關鍵組成部份。我們需要它來捕獲移動式、分布式二氧化碳排放源的排放物，這些排放物無法透過其他方式輕松實作脫碳。在我們的工作中，我們展示了首個能夠從空氣中捕獲二氧化碳並提高其濃度的合成膜，而無需熱量或壓力等傳統能源輸入。我認為，面粉廠的水輪可能是一個有用的比喻。磨粉機利用水的下坡輸送來推動磨粉，而我們則利用水的下坡輸送來從空氣中抽取二氧化碳。"
分離過程支撐著現代生活的方方面面。從我們吃的食物到我們服用的藥物，再到我們汽車中的燃料或電池，我們使用的大多數產品都經過了多個分離過程。此外，分離過程對於最大限度地減少廢物和環境補救（如直接在空氣中捕獲二氧化碳）的需求也非常重要。
然而，在向迴圈經濟發展的世界裏，分離過程將變得更加重要。在這種情況下，直接空氣捕集可用於提供二氧化碳，作為制造我們今天使用的許多碳氫化合物產品的原料，但其迴圈過程是碳中和的，甚至是負碳的。
最重要的是，除了向可再生能源過渡和從發電廠等點源進行傳統碳捕集之外，直接空氣捕集對於實作氣候目標（如【巴黎協定】設定的 1.5 °C 目標）也是必要的。
英國紐卡素大學工程學院高級講師 Evangelos Papaioannou 博士解釋說："與典型的膜操作不同，正如研究論文中所描述的那樣，研究小組測試了一種新型二氧化碳滲透膜，在膜上施加了各種濕度差異。當膜輸出側的濕度較高時，膜會自發地將二氧化碳泵入輸出流中。"
透過與 UCL 和牛津大學的合作者共同使用 X 射線微電腦斷層掃描技術，研究小組能夠精確地確定膜結構的特征。這使他們能夠與其他最先進的膜進行可靠的效能比較。
這項工作的一個關鍵方面是在分子尺度上對膜中發生的過程進行建模。透過與威靈頓維多利亞大學和倫敦帝國理工學院的合作者進行密度函數理論計算，研究小組確定了膜內的"載體"。這種載體能獨特地運輸二氧化碳和水，但不能運輸其他物質。從膜中釋放二氧化碳需要水，釋放水也需要二氧化碳。正因為如此，濕度差產生的能量可以用來驅動二氧化碳透過膜從低濃度向高濃度移動。
梅特卡夫教授補充說："這是一項歷時數年的真正的團隊工作。我們非常感謝合作者的貢獻以及英國皇家工程院和工程與物理科學研究理事會的支持。"
編譯自/scitechdaily
