甲烷是一种远比二氧化碳更强效的温室气体。
麻省理工学院的研究人员提出了一种有望控制甲烷排放并将其从空气中去除的方法。
该技术使用一种廉价且储量丰富的黏土，称为沸石。
这种材料非常廉价，目前已被用于制作猫砂。
甲烷是一种远比二氧化碳更强效的温室气体，并且在进入大气后的头二十年内影响尤为显著。在近期于格拉斯哥举行的国际气候谈判中，减少甲烷排放被确定为迅速遏制全球气候变化的一项重要优先事项。
如今，麻省理工学院的一个研究团队提出了一种有望控制甲烷排放并将其从空气中去除的方法，该方法使用一种廉价且储量丰富的黏土，称为沸石。相关研究成果发表在期刊《ACS Environment Au》上，论文作者包括博士生Rebecca Brenneis、副教授Desiree Plata及另外两人。
尽管许多人将大气中的甲烷与石油和天然气的钻探及水力压裂联系在一起，但Plata表示，这些来源仅占全球甲烷排放量的约18%。绝大部分排放的甲烷来自刀耕火种式农业、奶牛养殖、煤炭和矿石开采、湿地以及融化的永久冻土等来源。“进入大气的很多甲烷来自分散且弥散的来源，因此我们开始思考如何将其从大气中去除，”她说。
研究人员找到的答案是一种极其廉价的东西——事实上是一种特殊的“泥土”，即黏土。他们使用了沸石黏土，这种材料非常廉价，目前已被用于制作猫砂。研究团队发现，用少量铜处理沸石，可使该材料即使在极低浓度下也能非常有效地吸收空气中的甲烷。
该系统的概念较为简单，但在工程细节方面仍有大量工作需要完成。在实验室测试中，将与猫砂相似的、经铜增强的沸石材料微小颗粒装入反应管中，然后从外部对反应管加热，同时使甲烷浓度从仅2ppm到2%不等的气流通过该管。这一范围涵盖了大气中可能存在的所有浓度，甚至包括无法直接燃烧或火炬燃烧的亚可燃浓度。
Plata表示，与其他从空气中去除甲烷的方法相比，该工艺具有若干优势。其他方法往往使用铂或钯等昂贵的催化剂，需要至少600摄氏度的高温，并且通常需要在富甲烷气流与富氧气流之间进行复杂的循环切换，这使得设备既更为复杂，风险也更高，因为甲烷和氧气本身以及二者结合时都极易燃烧。
“这些反应器运行时的600摄氏度使人在甲烷附近几乎处于危险之中”，Brenneis说，纯氧同样如此。“他们只是通过制造一种必然会发生爆炸的状况来解决问题。”高温运行还会带来其他工程难题。不出所料，此类系统并未得到广泛应用。
至于这一新工艺，“我认为我们仍然对它的效果之好感到惊讶”，Plata说。她是土木与环境工程系Gilbert W. Winslow副教授。该工艺似乎在约300摄氏度时效果最佳，所需加热能耗远低于其他甲烷捕集工艺。它还能在低于其他方法所能处理的甲烷浓度下运行，甚至可处理百分之一以下的微小比例，而大多数方法无法去除此类浓度的甲烷；并且它在空气而非纯氧中即可运行，这是其在实际应用中的一大优势。
该方法会将甲烷转化为二氧化碳。鉴于全球正在努力应对二氧化碳排放，这听起来可能不是好事。“很多人一听到‘二氧化碳’就会惊慌，他们会说‘这很糟糕’，”Plata说。但她指出，二氧化碳在大气中的影响远小于甲烷，甲烷作为温室气体在前20年内的强度约为二氧化碳的80倍，在第一个世纪内约为25倍。这一效应源于甲烷在大气中会随时间自然转化为二氧化碳这一事实。她表示，通过加速这一过程，该方法将大幅降低近期的气候影响。而且，即使仅将大气中一半的甲烷转化为二氧化碳，后者的浓度也只会增加不到1ppm（约占当今大气二氧化碳的0.2%），同时可减少约16%的总辐射增温。
研究团队得出结论，此类系统的理想安装地点是甲烷来源相对集中的场所，例如奶牛棚和煤矿。这些场所通常已配备强大的空气处理系统，因为甲烷积聚可能引发火灾、健康和爆炸危险。为克服尚未解决的工程细节问题，该团队近期获得了美国能源部200万美元的资助，将继续开发适用于此类场所的甲烷去除专用设备。
“矿井通风的关键优势在于我们能够输送大量空气，”她说。“必须引入新鲜空气，以供矿工呼吸，并降低富甲烷气穴引发爆炸的风险。因此，矿井中输送的空气量是非常巨大的。”Plata表示，甲烷浓度过低而无法点燃，但正处于催化剂的最佳作用范围内。
将该技术适配到具体场地应当相对简单。研究团队在测试中使用的实验室装置“仅包含几个部件，而安装在奶牛棚中的技术也可以相当简单”，Plata说。然而，大量气体难以顺畅地穿过黏土，因此研究的下一阶段将重点探索如何以多尺度、分级结构来构造黏土材料，以促进气流通过。
“我们需要新技术，以氧化浓度低于火炬和热氧化器所用浓度的甲烷，”斯坦福大学地球系统科学教授Rob Jackson表示，他并未参与此项研究。“目前还没有一种具有成本效益的技术，能够氧化浓度低于约2000ppm的甲烷。”
Jackson补充道：“推广此类工作及所有类似研究仍有许多问题有待解决：在实际场地条件下，催化剂会以多快的速度失效？我们能否使所需温度更接近环境温度？在处理大量空气时，此类技术的可扩展性如何？”
新系统的一项潜在重大优势在于，其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火焰的燃烧形式。若甲烷浓度高于0.5%，释放的热量将大于启动该过程所需的热量，这些热量可用于发电。
研究团队的计算表明，“在煤矿中，你有可能产生足以在发电厂规模上发电的热量，这一点意义非凡，因为这意味着该装置可以自负盈亏”，Plata说。“大多数空气捕集方案成本高昂，且永远无法盈利。我们的技术未来或许将成为一个反例。”
她表示，利用此次新获得的资助，“在未来18个月内，我们的目标是证明这一概念能够在实地应用”，而实地条件可能比实验室环境更具挑战性。最终，他们希望能够制造出与现有空气处理系统兼容、可直接作为额外部件安装的设备。“煤矿应用的目标是在三年后，使其达到可交由商业开发商或用户使用的阶段，”Plata说。
除Plata和Brenneis外，研究团队还包括耶鲁大学博士生Eric Johnson和麻省理工学院前博士后研究员Wenbo Shi。该研究获得了Gerstner Philanthropies、Vanguard Charitable Trust、Betty Moore Inventor Fellows Program以及麻省理工学院研究支持委员会的资助。
