水分/二氧化碳₂·低成本实现吸热放热

2019/07/31

水分/二氧化碳₂·低成本实现吸热放热 Hasklay，一种由矿物质制成的高性能吸放湿材料

#能源/环境约束响应

高吸湿性能低温下的功能性再生是可以的并且可以重复使用。开发用于空调吸湿材料，但成本较低节能效果高那么现在农业温室中的二氧化碳₂采集/申请系统是啊供热系统

我想利用多孔材料为节能做出贡献

　1996年，名古屋产业技术研究所（现在的AIST中部中心）的年轻研究员Masaya Suzuki得知存在一种“利用太阳热能制造冰”的技术时感到震惊。在这项技术中，当容器中的水被多孔材料吸收时，汽化热会带走水的热量并将其冷却，最终将其变成冰。

　当时，铃木正在研究矿物质的特性，对这项利用太阳能冷却水的技术印象深刻，他产生了强烈的愿望，想要创造出有效节能的技术。

　那里使用的材料是一种天然存在的多孔矿物，称为沸石。那么，作为一名矿物研究人员，我应该能够利用多孔材料为节能做出贡献。如果可能的话，我希望将其作为我一生的工作。这就是我的想法。''

铃木秉承这一决心，继续开发有助于节能的材料。

　铃木重点关注的沸石具有通过加热加热并在吸湿后干燥来再生吸湿功能的特性，因此可以反复使用。然而，再生沸石需要将其加热至200摄氏度以上的高温，这一直是一个问题。不用说，如果加热和再生能够在尽可能低的温度下进行，那么将使用更少的能量。自20世纪90年代末以来，各个制造商竞相合成可在低温下再生的吸湿材料。

　AIST 还尝试使用和合成基于矿物资源的各种多孔材料。这项努力的成果之一是由一种称为水铝英石的天然材料制成的湿度控制瓷砖。这种革命性的瓷砖在室内湿度上升时吸收水分，在湿度下降时自动释放水分，由骊住株式会社（当时为伊奈株式会社）作为湿度控制建筑材料“Ecocarat”进行商业化。

寻找空调吸湿最佳材料

当时，铃木正在研究一种名为伊毛缟石的矿物，其性质与水铝英石类似。伊毛缟石是一种存在于火山灰土壤中的纳米管状硅酸盐，在 90% 的潮湿条件下可以吸附两倍于自身重量的水分。铃木认为这可以用作除湿空调的吸湿部件（除湿转子）。

　干燥剂是干燥剂，吸湿部件在空气被空调冷却之前从空气中吸收水蒸气。由于它在冷却空气之前先对其进行干燥，因此与普通空调相比，它用于冷却的能源更少。除了家用空调外，还有很多不喜欢潮湿的行业，社会对吸湿材料的功能性要求也越来越高。

　然而，由于伊毛缟石在自然界中的产量有限，因此大量合成它的技术对于其作为吸湿材料的实际应用至关重要。铃木尝试开发量产技术，但成品率并没有提高，最终无法将产量或成本提高到实用的水平。

　无论性能多么有趣，如果停留在实验室水平，无法投入实际应用，那就毫无意义。我们需要做的是开发一种可以批量生产、具有成本效益、可以实现商业化的材料。基于这个结论，我们完成了对伊毛缟石在医学领域之外的研究，并决定寻找另一种材料。''

　那是 2005 年。

哈斯克雷的诞生

　基于我们对伊毛缟石的研究，我们决定开发一种新材料，前提是它可以由丰富且廉价的原材料制成。生产成本目标是能够以介于作为吸湿材料广泛分布的硅胶和沸石之间的价格销售产品，沸石质量高，但价格昂贵，每公斤1,000至2,000日元。

　另一方面，在性能方面，我们的目标是在湿度为60%时，水蒸气吸附量以100℃下的干燥重量为基准，达到30wt%（重量百分比）以上，并具有在较宽的湿度范围内吸收和释放水分的性能。

　两年时间研究合成多种物质，并反复评估。铃木终于找到了一种在性能和成本上都满足要求的物质。它是由硅酸水溶液和铝水溶液形成的尺寸约10nm的粒状材料。铃木将这种物质命名为“HASClay”。Hasclay 这个名字来源于这样一个事实：这种材料被认为是无定形羟基硅酸铝 (HAS) 和粘土的复合材料。

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温室中的二氧化碳₂室温下无需加热

Hasclay不仅含有水，还含有二氧化碳（CO₂)也可以被吸收。大约10年前，奈良县农业中心（现奈良县农业研究开发中心）注意到了这一性质，并向铃木寻求建议。这促使铃木专注于在农业领域利用 Husklay。

一般来说，作物产量和二氧化碳₂的浓度之间存在密切关系大气CO₂浓度约为 400 ppm，但将其提高到 1000 至 1200 ppm 会促进光合作用，例如使草莓的产量增加约 30%。因此，在温室中种植农作物时，CO₂使用钢瓶或锅炉在室内排放二氧化碳₂但是CO₂钢瓶价格昂贵，如果使用锅炉，由于锅炉燃烧，屋内温度会升高太多，所以必须打开房屋顶部让热量散失，不惜一切代价供应的CO₂也随着热量一起逸散。虽然这种方法效率低下，但在农业领域，现实是，即使因为迫不得已而造成一定的损失视而不见，也不得不这么做。

　此外，在夜间气温下降时，会使用加热器来维持温室内的温度。白天，CO2₂夜间需要使用锅炉取暖，燃料费用的负担沉重地落在农民身上。奈良县农业中心咨询使用高性能吸附剂降低燃料成本和二氧化碳₂的排放量

　我们考虑了夜间供暖排放的二氧化碳₂通过将其吸附在吸附剂上并在白天释放以减少温室中的二氧化碳₂这是一个提高注意力的系统。

　此时，CO₂CO₂的浓度差，只需送外部空气₂''

　我们已经完成了一个低能耗、高效的系统，可以在常压下运行，无需加热，无需使用真空泵或加热器。

　目前用于温室种植的燃料量比我们想象的要多。例如，蔬菜中温室产量最高的西红柿，在全国2000多公顷的温室中使用燃料种植，每年使用重油21万千升。这相当于石油联合体的两个储罐，以及 CO₂排放量达到60万吨。使用吸附剂的 CO₂如果回收和再利用设备得到广泛使用，燃料和二氧化碳₂

发展大型热利用系统

　湿度控制也是温室内的一个问题。夜间屋内湿度极高，常常达到100%。然而，如果蔬菜受潮，它们就更容易腐败变质，并且容易感染疾病，所以湿度太大并不是一件好事。

　“Hasclay具有良好的吸收和释放水分的能力，当然可以用来吸收多余的水分。不过，我想如果我们能利用Hasclay吸收水分时释放的热量来构建一个节能的供热系统，那就更好了。”

例如，假设在夜间，温室内的温度为 10 到 15 摄氏度，湿度为 90%。通过Hasclay吸附水蒸气，温室内的湿度可降低至75%左右。同时，这个过程中产生的吸附热使空气变暖，如果作为40至50摄氏度的暖空气排出，则可以用来给房屋供暖。铃木这么想。

然后，早上，引入室外空气。当外界空气湿度为30%、温度为25至30摄氏度时，Husklay中储存的水蒸气就会升温并释放出来。然后，蒸发时的汽化热产生15至20摄氏度的冷空气。水和二氧化碳₂、加热/冷却、除湿/加湿、CO₂

　当我们把这套系统引入温室，并进行实验，看看当温度低于一定水平时自动启动的加温机会运行多少次，结果发现，在没有该系统的温室里，它每天运行13次，而在有系统的温室里，它每天只运行8次。详细情况数据将从2019年秋季开始收集，但预计加热机的使用量可减少约30%。也就是说，可以预见，仅将夜间供暖作为补充供暖，就可以大幅减少夜间供暖的燃料用量。

　这种集吸/放湿和加热/制冷于一体的节能热利用系统在一般家庭和办公室中需求量很大，有望得到应用。

　铃木专注农业的原因之一是农业领域急需这项技术。这是因为不仅燃料成本负担是一个问题，而且湿度本身也是一个严重的问题。例如，如果水滴沾到甜豌豆的花瓣上，它们就会被染色而无法作为产品使用，因此在运输过程中需要保持容器内的低湿度。即使在种植草莓时，如果湿度高，霉菌也很容易生长，因此湿度控制至关重要。

　在农业中，如果供暖停止一天，农作物就会被毁掉，因此连续性至关重要。运送东西需要几个月的时间，如果犯了错误，明天就不能重新开始。我想体验农业的困难，并通过创建一个廉价且稳定的系统做出贡献。''

水蒸气和二氧化碳₂此外，大规模热利用系统的示范实验已经开始，该系统回收和储存工厂和其他来源以前未使用的低温废热，并将热量释放到其他地方，用作生产过程的热源。

　水蒸气和CO₂并且可以在低温下再生，可以在不给环境造成负担的情况下实现多种目标。请考虑Huscray来解决您的问题。我们相信，通过结合沸石和硅胶等多种材料，我们可以创造出更好的产品。”

　节约能源、节约资源、保护环境是全球范围内的紧迫问题。铃木渴望与业界合作，大幅扩大 Huskray 的使用范围。