一个加速基于吸附剂的碳捕获的整体平台

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　　Prisma平台的模块化结构使我们能够考虑各种利益相关者的观点。对于来源，水槽，技术，公用事业和地区的任何组合，我们计算了50个关键绩效指标的列表（KPIS；补充表5）。Spearman分析（扩展数据图1）帮助我们确定了六个捕获最重要趋势的参考KPI（扩展数据表2）。　　让我们首先专注于一个案例研究：使用位于英国的水泥厂的温度真空摆动吸附（TVSA）工艺（TVSA）工艺（TVSA）工艺捕获CO2。捕获的二氧化碳被压缩并发送用于地质存储。在图2中，我们将材料的性能与单乙醇胺（MEA）基准22进行比较（补充信息第4节）；许多材料的表现优于不同工艺，茶和LCA KPI的基准。　　避免碳的净成本（NCAC）是KPI，它量化了避免在植物生命周期内避免二氧化碳排放到大气中的成本。NCAC并不是唯一的标准，并且在所有KPI中评估材料，从所有利益相关者的角度来看很重要。图3突出显示了给定KPI的最佳表现材料及其在整个平台上的其他KPI上的排名。图3中材料排名的比较说明了选择最佳材料的复杂性。给定的KPI的前十名不一定在其他KPI中表现良好。　　从工程的角度来看，我们有兴趣确定最佳技术。图4A比较了3种过程配置和3个CO2源的20种表现最佳材料的NCAC。对于这三种技术，我们发现材料的表现优于煤炭和水泥的基准。对于进料流中二氧化碳浓度较低的病例（例如，天然气合并循环（NGCC）发电厂），过程配置中的真空步骤降低了成本，但没有比MEA基准更低的NCAC识别材料。　　真空步骤增加了产品流的纯度。通过在吸附步骤后从色谱柱的气相中迅速清除弱吸附的成分，但以比温度挥杆吸附（TSA）的恢复较低，可以实现这一增加。图4b显示，通过真空步骤，大多数材料纯度超过96％，而对于TSA，只有少数材料满足了对地质存储的要求。因此，我们专注于水泥和煤的0.6 bar操作TVSA，而TVSA的NGCC为0.2 bar。　　优化后，更多的材料符合纯度要求（补充信息第10.3.3节）。对于TVSA工艺（在英国水泥）中，优化NCAC降低了约7欧元的TCO2-1（约12％），用于TSA工艺的NCAC约为9 TCO2-1（约14％），并减少了各种过程配置之间的差异。重要的是，我们看到，表现最佳材料的排名尚未受到重大影响。　　由于对能源和材料的需求增加，经营碳捕获厂固有地产生二氧化碳和其他温室气体的排放。环境经理的观点着重于最大化被捕获的二氧化碳，同时最大程度地减少了这些相关的二氧化碳排放和其他可能的环境影响。　　使用气候变化KPI，有效回收（图4D）调整了与建筑和运营碳捕获厂相关的CO2E排放的过程恢复（图4C）。对于某些材料，我们发现气候变化KPI捕获的每kgco2> 1 kgco2e（扩展数据图2a）。这表明，使用这些材料的捕获过程比捕获的二氧化碳的总量在植物的寿命上发出的二氧化碳更多。几个因素可以导致这一结果。例如，某些材料的二氧化碳工作能力非常低，从而产生了高材料和能量需求。其他一些，具有相对较好的工作能力和适度的热量需求，含有金属或若ix的金属。合成此类材料的气候变化影响是如此重要，以至于每千co2捕获的气候变化> 1 kgco2e。重要的环境KPI是物质资源：金属/矿物质（MR：MM），与矿物质和金属资源的使用有关。在扩展数据图3中，我们比较材料基于其成分金属的排名，重点是一些丰富的金属（镁，锌和锰）和稀有金属（铜，lutetium和银）。如果需要大量的相应MOF去除二氧化碳单位，或者总能量需求较高，则MR：MM排名将较差。丰富的金属排名更好，而稀有金属的排名下降。如果MOF在MR：MM上得分很差，则可能会激发化学家探索具有更丰富金属的类似结构。　　MOF合成的另一个重要因素是溶剂选择。Prisma平台从经常使用的列表中识别出最绿色的溶剂。补充信息第8.2.3节指示与溶剂选择相关的预期环境热点。　　该平台提供了与该过程的环境影响相关的其他KPI（例如，扩展数据图2B），例如对生态系统质量，人类健康和资源的使用（土地，水，材料和不可再生能源）的影响，并允许我们标记影响环境的材料。　　二氧化碳生产者的观点寻求最具成本效益的捕获技术。例如，水泥生产商可以根据工厂对环境足迹和成本的影响选择不同的公用事业。在瑞士，可以使用电动锅炉而不是天然气体燃料的锅炉来减少二氧化碳排放。由于瑞士电网的低碳强度，这种变化显着降低了气候变化KPI，导致近100％的有效恢复。但是，由于瑞士的运营成本高（补充信息第8.2.2节），这种改善的成本增加了约16欧元的TCO2-1（约20％）。　　如果明天需要进行大规模碳捕获，那么默认的选择通常是公认的MEA技术。但是，从投资者的角度来看，我们的平台表明，基于固体的捕获过程可以优于MEA基准。降低成本随二氧化碳浓度而增加；对于水泥，NCAC大约低于基准的两个倍（图4A）。投资者还有兴趣了解在全球不同地区部署碳捕获厂的经济学。巨大的成本差异和电网特性将使特定地区在经济上比其他地区更有益。图4E突出了该地区对碳捕获成本（CCC）的依赖。对于水泥案例，美国的电力和天然气成本较低，这使其在CCC中有利，而在瑞士则最高。煤炭成本的区域依赖性相当小，而对于天然气来说，煤炭成本的依赖性更大。　　但是，CCC并未考虑与操作碳捕获厂和产品损失相关的CO2E排放（例如，电力）。NCAC通过气候变化KPI纠正基于系统的CCC（图4F）。在NGCC案例中观察到最大的影响。由于中国的许多煤炭发电厂，特别是在山东省，电网的高二氧化碳排放量导致了最高的NCAC。相比之下，瑞士的网格以水力发电为主。电网混合物的低能成本和二氧化碳排放使美国对煤炭和水泥有益。　　从新材料的第一个合成到其实施到商业过程的途径可能需要多年。因此，从化学家的角度来看，重要的是要向分子特征如何影响材料在早期材料的设计阶段的性能提供一些指导。一个有趣的实用问题是，是否可以合成适合任何CO2来源的材料。扩展数据图4A比较了NGCC，燃煤电厂和水泥厂的NCAC排名。当我们从NGCC转到煤炭时，我们观察到排名的重大变化。当我们从煤炭到水泥中移动时，这些变化较小，但仍然相当大。这表明需要为不同的捕获应用程序量身定制的材料（有关更多详细信息，请参见补充信息第8.5.1节）。　　扩展数据图4B显示了NCAC与干烟气的增加。随着α的值表明在床上的水渗透，增加，成本大幅上升，在一定的阈值之后达到指数趋势。对于水泥，NCAC的增加至少为5.0欧元TCO2-1（8％），NGCC的增加为26.7欧元TCO2-1（22％）。这强调了在较低的Feed-CO2部分压力下管理水分以保持成本竞争力的必要性。在补充信息第9节中，我们讨论了我们（理想）模型的限制。在非理想的质量转移条件下，约60-70％的材料仍然是最高的绩效。但是，对于具有高水亲和力的材料（例如沸石13倍），水分滑入床的干部分可能会大大破坏其容量并改变其排名。　　筛选一千多种材料使我们能够使用数据驱动的方法来识别表现最佳材料的分子特征。对于水泥，我们证明，通过保留与孔几何形状相关的描述符（即持续图像），我们可以准确预测材料是否具有低于MEA基准的NCAC（补充信息第8.5.3节）。这些持久性图像在这些预测中还排除了每个原子的重要性，这些原子的收集表征了定义adsorbaphore23的分子特征。材料中的一个共同特征优于MEA，是金属原子的几何杆（在扩展数据中突出显示图5）。这些特征通常与堆叠的离域系统（芳香环）相关，分别为6至11Å（另请参见补充图62）。

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