Reuse of spent molecular sieves as adsorbents: a waste valorization strategy for low-temperature thermal energy storage

能源系统正在发生变革。随着世界寻求摆脱化石燃料，挑战不仅在于产生清洁能源，还在于如何在阳光不再闪耀或风不再吹拂时，高效地储存这些能量。一种极具前景的热量储存方式是通过一种被称为“吸附”的过程。想象一下，有一种像海绵一样的物质可以吸收空气中的水蒸气；当这种海绵被加热时，它会释放出水分，并在此过程中吸收大量的热能。如果这个循环可以重复进行，这种材料就充当了热量电池，将能量保存起来直到需要使用时。使这一过程高效运行的关键在于寻找价格低廉、性质稳定且擅长抓取和释放水分的材料。几十年来，科学家们一直寻找被称为“分子筛”的合成晶体来承担这项工作，但这些材料制造昂贵，且在完成其在工业气体净化中的原始用途后，往往会被作为危险废物丢弃。

阿根廷的一个研究小组将这个问题转化为了机遇。他们研究了那些“废旧”分子筛——即那些已经在天然气净化厂中使用完毕并目前正被丢弃的分子筛——是否可以赋予它们第二次生命，作为热量储存材料。研究人员并没有将这些被丢弃的晶体视为垃圾，而是探究了在经过多年的工业服务后，它们的内部结构和持水能力是否依然完好。通过将这些使用过的材料与新鲜的天然晶体以及另一种类型的合成化合物进行对比测试，他们发现废旧材料保留了作为热量电池运行所需的本质特性。这一发现表明，有一种方法可以将这种危险的工业副产品转化为有价值的资源，支持一种将废物转化为可持续能源工具的循环经济。

该研究始于一种特定类型的废物：从石油和天然气行业的加气处理设施中收集的废旧分子筛。这些设施利用分子筛来干燥和净化天然气，去除其中的水分和其他杂质。随着时间的推移，分子筛会趋于饱和并被更换，仅在一家工厂每年就会产生约50吨此类材料。目前，由于这些材料含有捕获的碳氢化合物，被归类为危险废物，导致了处置成本和环境问题。研究人员提取了一份使用过的材料样本，这是一种由硅、铝和氧组成的合成晶体，并对其进行了一系列严格测试。为了确保比较的公平性，他们还测试了一种天然矿物晶体和一种实验室制造的复合材料，检查每种材料对热的反应以及它们如何与水相互作用。

第一步是观察材料的物理结构。利用高倍显微镜，研究人员检查了废旧分子筛的表面和内部孔隙。他们发现，尽管在工业厂内经历了长期服役，这些晶体并未坍塌或失去其多孔特性。那些允许水分子进入和退出的微小通道和孔洞依然清晰可见且连通良好。这是一个至关重要的发现，因为该系统存储热量的能力完全取决于材料让水进出循环的能力。使用过的晶体看起来与新鲜的晶体非常相似，这表明严苛的气体净化条件并未破坏使其在能量储存方面发挥作用的核心特征。

接下来，团队分析了材料的化学成分，以了解它们如何与水相互作用。他们测量了晶体中硅与铝的比率，这是决定材料吸引水分子强度的关键因素。废旧分子筛显示出高含量的铝，这产生了一种强大的电荷吸引力，使材料非常擅长吸收水分。相比之下，他们测试的天然矿物含铝量较低，因此可能无法紧紧锁住水分。第三种由磷酸钙组成的复合材料表现则不同，它依赖于表面化学性质而非内部晶体结构来保持水分。化学分析证实，废旧分子筛拥有这种抓取水分所需的“粘性”，这是捕捉和释放热能的重要特质。

随后，研究人员进行了热性能测试，通过加热材料来观察它们在温度变化下的表现。他们使用了热重分析技术，该技术用于测量样品在变热时损失的质量。随着温度升高，所有三种材料都减轻了重量，但方式各异。天然矿物非常稳定，质量损失极少，这意味着它能紧紧锁住水分，但也可能无法轻易释放水分，从而难以实现快速能量储存。复合材料在高温下损失了大量重量，但这归因于其有机组分的分解，这预示着它可能不够稳定，无法进行重复使用。然而，废旧分子筛表现出了平衡的行为。在加热过程中，它们以受控的方式稳步释放水分并减轻质量，而不会发生崩解。这表明它们可以通过加热来释放储存的能量，并通过冷却来吸收能量，而这种循环对于可重复使用的热量电池至关重要。

为了理解这一过程涉及的能量，团队使用了差示扫描量热法，该方法用于测量热量流入或流出材料的过程。当加热废旧分子筛时，他们观察到了宽泛的热吸收现象。这些热量不仅仅是在加热固体材料本身，而是被用于将水分子从晶体表面拉离并从其微小的孔隙中排出。这种热吸收发生在很宽的温度范围内，说明水是以多种不同的方式存在于晶体内部，有些结合较弱，有些结合较强。这对于储能实际上是一件好事，因为它允许材料逐渐吸收热量，而不是一次性全部吸收。测量结果显示，废旧分子筛可以吸收大量的热能，其水平可与新鲜的天然矿物相媲美甚至更优，这证明了它们在经历气厂中的第一次“生命”后，其储热能力并未丧失。

研究得出结论，这些被丢弃的工业晶体不仅是废物，更是低温热能储存的一种可行资源。废旧分子筛即使在严苛的工业条件下，仍保持了其结构完整性、吸引水分的化学能力以及热稳定性。它们可以通过加热来释放水和能量，也可以通过冷却来吸收水和能量，且不会发生分解。这一发现为循环经济提供了一条切实可行的路径。与其每年向填埋场发送50吨危险废物，天然气处理设施完全可以有可能将同样的材料重新利用，以帮助储存可再生能源。虽然研究人员指出，仍需更多工作来测试这些材料在经过多年反复加热和冷却后的表现，但初步结果是明确的：一个行业的废物可以成为另一个行业的储能解决方案，将处置难题转化为可持续资产。