CO₂捕集技術(shù)及其經(jīng)濟效益綜述

張壯壯 馮帥 劉璐 嚴(yán)文瑞 王世飛

摘 要：隨著工業(yè)社會的發(fā)展，CO2的排放量不斷升高，導(dǎo)致大氣中CO2的含量也隨之提升，不管對經(jīng)濟還是生態(tài)都造成了巨大的損失。近些年來科技發(fā)展日新月異，導(dǎo)致我們對CO2也有了全新的認(rèn)識，特別是在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用使得CO2變廢為寶，由溫室氣體變成一種“氣體肥料”。要想利用CO2，第一步也是最重要的一步便是對CO2的吸附，目前對CO2的吸附方法有很多種，主流還是用化學(xué)吸附方法，即利用有機胺對CO2進行吸收。本文通過查詢大量文獻和研究，系統(tǒng)地闡述了CO2的捕集技術(shù)及其給農(nóng)業(yè)帶來的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：CO2；CO2捕集技術(shù)；農(nóng)業(yè)經(jīng)濟

文章編號：1004-7026（2017）11-0148-02 中國圖書分類號：X773 文獻標(biāo)志碼：A

進入21世紀(jì)以后，現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，隨之而來的全球變暖、資源危機、水資源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為人類生存面臨的幾大首要問題[1]。其中全球變暖帶來的海嘯、暴風(fēng)雪及低溫雨雪冰凍災(zāi)害性事件在世界頻發(fā)，冰川消融，海岸線上漲，可供人類和其他生物居住的地方越來越小，全球變暖已經(jīng)對人類甚至于整個地球生態(tài)系統(tǒng)造成了不可忽視的影響。人們認(rèn)為全球變暖主要是由于人類對于森林，草原等植被的破壞以及在生產(chǎn)生活中大量使用化石原料造成的[2]。植被遭到破壞使得大地過多地吸收了從太陽照射過來的能量，導(dǎo)致氣溫升高；另一方面，人類活動使得自然界的碳循環(huán)失衡，化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2大量積累，而CO2是最主要的溫室氣體，這是氣候變暖的最主要原因[3]。

煤炭是我國的能源主體[4]，且在未找到合適的替代能源之前，煤炭將在較長一段時間內(nèi)繼續(xù)作為中國這個有著13億人口的國家的主要能量來源。煤炭在解決了能源問題的同時，其燃燒產(chǎn)生的CO2也成為了我們目前需要解決的首要問題[5]。節(jié)能減排、綠色出行是現(xiàn)代生活的主題，CO2的捕集與再利用也成了科學(xué)家研究的熱門問題。

1 CO2捕集研究現(xiàn)狀

目前對CO2的研究主要集中在CO2分子的捕集、封存與釋放這幾個方面。其中對CO2捕集與封存的研究最為重要，CO2的捕集主要包括物理吸附法，化學(xué)吸收法及生物捕集法。

（a）物理吸收法

物理吸收法指用利用一些對CO2溶解度較大的溶劑在高壓低溫的條件下對CO2進行溶解吸收的方法。在吸收過程中不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在低壓高溫的條件下將CO2釋放出來進行再利用。

（b）化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法是利用含堿或堿性溶液來吸收工業(yè)廢氣中的CO2，將CO2分子轉(zhuǎn)化成CO32-，再在高溫條件下將CO2釋放出來的方法。堿性溶液可以反復(fù)使用，該溶液應(yīng)對CO2具有較強的選擇性且不易揮發(fā)、毒性小和不易燃燒等特點。

（c）生物捕集法

生物捕集法指在微藻等生物生長過程中將CO2作為唯一碳源，使其在生長過程中將CO2捕集，固定。藻類生物可以利用CO2快速生長并合成有機物，受到國內(nèi)外很多研究學(xué)者的關(guān)注[6]。利用微藻吸收CO2可固定大量工業(yè)廢氣中的CO2，然后利用微藻產(chǎn)生的有機物來制備化工原料。這對于CO2減排、水資源與能源危機全球性問題的解決具有重要的潛在應(yīng)用價值。

3 CO2在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

在解放初期之前，人們一般認(rèn)為CO2是一種利用價值較低的氣體。但是隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人口基數(shù)的不斷增大，人們生活水平的提高，同時國家科研力度的整體上升，對CO2的利用也有了相當(dāng)明顯的改善，CO2利用的年增長率為5%～8%，體現(xiàn)在各個行業(yè)中，工業(yè)中的CO2保護焊接，制冷劑以及用于生產(chǎn)各類化工產(chǎn)品；農(nóng)業(yè)中的殺毒劑，植物的光合作用的利用等等，大大的改善了人們的生活，同時也體現(xiàn)了低碳環(huán)保循環(huán)利用的理念。下面我們將主要從CO2在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟方面所帶來的好處入手剖析。

（a）促進植物的生長

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，從數(shù)量上來說，中國擁有近8億的農(nóng)民，但是中國用占世界7%的土地養(yǎng)活了世界20%的人口。其次，從歷史上來說，中國至今就是一個重視農(nóng)業(yè)的國家，農(nóng)業(yè)貫穿著中國整個歷史，如何提高農(nóng)作物產(chǎn)量一直是我們研究的話題。植物可通過其本身所含有的葉綠素進行光合作用，進而將CO2轉(zhuǎn)變成碳水化合物，提高植物的產(chǎn)量。現(xiàn)如今我國的大棚蔬菜技術(shù)的推廣也已經(jīng)證明，在塑料大棚中注入一定濃度的CO2氣體，可以加快植物的光合作用，進而縮短植物的生長周期，同時在產(chǎn)率方面提高10～20個百分點。據(jù)調(diào)查，1tCO2氣體可以供應(yīng)3.33hm2地的大棚使用25d左右[7]。

（b）消毒殺蟲的作用

在CO2的環(huán)境中具有抗氧化作用和滅菌殺毒的作用，尤其體現(xiàn)在可以完全抑制發(fā)霉。所以說CO2在蔬菜，果品以及糧食儲存運輸中可以起到很好的保鮮保質(zhì)作用。以前我們儲存糧食通常使用熏蒸劑，而通過后期的研究我們發(fā)現(xiàn)CO2在儲存方面所體現(xiàn)的效果更加優(yōu)良。美國的艾爾科大米公司進行的工業(yè)規(guī)模的實驗表明，CO2可以穿透裝有500t大米的儲存庫，在通過注入CO224h之后發(fā)現(xiàn)，進行實驗的大米中的成蟲死掉了99%[8]。現(xiàn)如今世界各地廣泛使用CO2來代替熏蒸劑來儲存糧食，這不僅體現(xiàn)了低碳環(huán)保的理念，同時也在降低溫室氣體的排放方面體現(xiàn)了應(yīng)有的價值。

4 CO2利用的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟價值及前沿成果

CO2利用不好是溫室氣體，利用恰當(dāng)就是氣體肥料。植物在生長過程中吸收水和CO2，并且通過光合作用將CO2中的碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖，這是世界上生命存在的基礎(chǔ)。植物進行光合作用的原料碳原子主要有兩個來源，一是通過吸收空氣中的CO2，二是通過根部吸收土壤中的碳酸氫根陰離子，其中CO2的吸收占主要部分。我省是碳排放大省，如何利用好CO2來造福農(nóng)業(yè)是迫在眉睫的大事。據(jù)報道，當(dāng)溫室大棚內(nèi)CO2濃度大于大氣中的2～3倍時，大部分的蔬菜產(chǎn)量可以提高1倍[9]。利用CO2來發(fā)展富碳農(nóng)業(yè)，設(shè)施蔬菜產(chǎn)量可以大幅增加，可以為全省帶來上千億元的經(jīng)濟效益[10]。在當(dāng)前我國大力發(fā)展綠色經(jīng)濟的基調(diào)下，利用CO2作為氣體肥料可以得到相關(guān)政策的大力支持。

因此，要想利用好CO2必須得從CO2的吸附入手，吸收工藝的水平直接影響到后續(xù)整個工程的成本和效果。目前對CO2吸附的研究層出不窮，主要是通過固態(tài)胺的吸附。工業(yè)吸附劑必須具備以下5點要求：內(nèi)表面積足夠大；具有良好的選擇性吸附作用；具有足夠大的吸附容量；具有良好的機械強度、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性；來源廣泛，價格低廉，以適應(yīng)對吸附劑的日益增長的需要。其中以乙醇胺（MEA）對CO2的吸收最為廣泛和深入[11]。在已知的研究進展中，滿足以上五點要求的吸附劑少之甚少，每一種有機胺都有自身的局限性，如MEA解吸附的速率較慢，對一些材料具有很強的腐蝕性，MDEA吸附速率較低等，目前已知的單一胺吸附劑很難同時解決吸附速率和解吸附速率這兩個問題，研究面較窄。但是對于混合胺溶液，研究方向和體系就非常的廣泛了，主要有MEA/MDEA混合胺溶液體系、MEA/DETA混合胺溶液體系等，在MEA/DETA體系中，對CO2的吸收率甚至高達72%，并且解吸附的效果也很不錯。在未來有機胺吸附劑將主要集中在對混合胺溶液的研究上，因此這種混合體系具有吸收量大，吸附速率和解吸附速率高、能耗較低等優(yōu)點。

近些年來實踐證明，不管是在環(huán)境保護方面還是提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益方面，施用CO2氣體肥料都發(fā)揮著越來越大的作用。它是一項投資少、效益高、原料廣、操作簡單的新技術(shù)，目前在國內(nèi)許多地方已經(jīng)推廣使用開[12]。另外排放CO2較多的工業(yè)企業(yè)也可以使用CO2吸附技術(shù)，捕集CO2所產(chǎn)生的成本將被向下游銷售氣體肥料的收入抵消，同時也延伸了產(chǎn)業(yè)，將企業(yè)減排的壓力化為經(jīng)濟動力，也大大地減輕了環(huán)境負擔(dān)。

注釋：

[1]IPCC Fourth Assessment Report： Climate Change.2007.

[2]IEA（International Energy Agency）. How the energy sector can deliver on a climate agreement in Copenhagen. Special early expert of the World Energy Outlook 2009 for the Bangkok UNFCCC meeting. Oct，2009.

[3]吳兌.溫室氣體與溫室效應(yīng).北京：氣象出版社，2003.

[4]中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計信息部.全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報（2008年）.2009.

[5]白冰，李小春，劉延鋒，等.中國CO2集中排放源調(diào)查及其分布特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25（S1）：2918-2923.

[6]Mascarelli A L.Gold rush for algae.Nature，2009，461：460-461.

[7]郭寶林.開發(fā)利用CO2資源提高企業(yè)經(jīng)濟效益[J].燕山油化，1984，（02）：142-146.

[8]國外化工消息，CO2能使米蟲致死，第24期（1982）

[9]程國媛.吃掉CO2農(nóng)業(yè)大發(fā)展[N].山西日報，2016-01-28（C03）.

[10]中國科學(xué)家建議回收CO2作肥料發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)[J].種業(yè)導(dǎo)刊，2010，（02）：40.

[11]史建公，劉志堅，趙良英，張毅，張敏宏.CO2有機胺吸收劑研究進展[J].中外能源，2014，（09）：16-25.

[12]王興才，卜蕓華，朱壽齡，陳新建，董樹貴，王善芝.氣肥CO2的應(yīng)用與經(jīng)濟效益的研究[J].百泉農(nóng)專學(xué)報，1983，（02）：18-23.