减少小型燃烧系统(如锅炉和其他工业设备)的碳排放是迈向更加可持续、碳中和未来的关键一步。锅炉广泛用于各行各业，用于供暖、蒸汽生产和发电等基本过程，是温室气体排放的重要贡献者。

锅炉通常非常高效。因此，仅通过提高燃烧效率很难减少二氧化碳排放量。因此，研究人员正在探索其他方法来减轻锅炉二氧化碳排放对环境的影响。为此，一种有希望的策略是捕获这些系统排放的二氧化碳并将其转化为有用的产品，例如甲烷。

为了实施这一战略，需要一种特定类型的膜反应器，即分配器型膜反应器(DMR)，它既能促进化学反应，又能分离气体。虽然DMR在某些行业中得到使用，但它们在将二氧化碳转化为甲烷方面的应用，尤其是在锅炉等小型系统中的应用，仍然相对未被开发。

这一研究空白由日本和波兰的一组研究人员解决，他们由日本芝浦工业大学的MikihiroNomura教授和波兰AGH科技大学的GrzegorzBrus教授领导。他们的研究成果发表在《CO2利用杂志》上。

该团队通过数值模拟和实验研究双管齐下，优化了反应堆设计，以便高效地将小型锅炉产生的二氧化碳转化为甲烷。在模拟中，该团队模拟了气体在不同条件下的流动和反应。反过来，这使他们能够最大限度地减少温度变化，确保在甲烷生产保持可靠的情况下优化能源消耗。

研究团队进一步发现，与将气体导入单一位置的传统方法不同，分布式进料设计可以将气体分散到反应器中，而不是从一个地方送入。这反过来又使二氧化碳在整个膜中的分布更加均匀，从而防止任何位置过热。

野村教授解释道：“与传统的填充床反应器相比，这种DMR设计帮助我们将温度增量降低了约300度。”

除了分布式进料设计之外，研究人员还探索了影响反应器效率的其他因素，并发现一个关键变量是混合物中的二氧化碳浓度。改变混合物中的二氧化碳含量会影响反应的效果。

“当二氧化碳浓度约为15%时，与锅炉产生的浓度相似，反应堆产生甲烷的能力更强。事实上，与仅使用纯二氧化碳的常规反应堆相比，它可以产生约1.5倍的甲烷，”Nomura教授说。

此外，该团队还研究了反应堆尺寸的影响，发现增加反应堆尺寸可以提高反应所需的氢气供应。然而，需要考虑一个权衡，因为更高的氢气供应量需要谨慎的温度管理，以避免过热。

因此，这项研究为解决温室气体排放主要来源的问题提出了一个有希望的解决方案。通过利用DMR，低浓度的二氧化碳排放可以成功转化为可用的甲烷燃料。

所获得的好处不仅限于甲烷化，还可以应用于其他反应，使该方法成为一种高效利用二氧化碳的多功能工具，甚至适用于家庭和小型工厂。