捕集二氧化碳的希望之路

章曉彤 李芳芹 任建興 馮海軍 侯 鑫 馬 闖

上海電力大學

關鍵字：溫室效應;CO2捕集;納米材料

0 引言

幾十億年來，地球都有著穩定的碳循環，植物的光合作用對CO2進行轉化與吸收，CO2還可以與海洋進行交換，因此在工業革命之前，地球上CO2濃度一直在200mL·m-3左右波動[1]。近幾十年來，人類社會不斷進步，科學技術也突飛猛進，工業中CO2過量釋放，其中煤、石油、天然氣和其它能源消耗（如圖1所示）排放的CO2急劇增加。與此同時，由于城市發展，土地的利用和變遷，地球上的綠色植被被大量砍伐，導致大自然自身的CO2凈化能力下降[2]。CO2濃度已從280ppm上升到400ppm，全球表面溫度增加0．8℃[3]，最近的CO2濃度更是達到408．8ppm[4]。全球CO2排放量變化（如圖2所示）。Leung等預測到本世紀末，CO2的濃度將到達600-700ppm，且地表平均溫度將升高 4．5-5℃[5]。

影響CO2濃度的關鍵因素是不確定的經濟、社會和技術變化以及人類和自然的發展[6]。政府氣候變化專門委員會（IPCC）認為，為了防止我們的星球遭到災難性的后果，期望到2050年溫室氣體的排放減少50-80%[7]。2015年12月，約190個國家聚集巴黎提出限制CO2濃度，以便在本世紀末將上升的平均溫度控制在2℃。各方科學家認為，可以采用眾多節能措施，提高現有化石燃料使用效率[8]，開發清潔新能源與可再生能源，同時提高綠化面積，加強植物的光合作用。然而現有結果顯示，如果所有森林面積都得到恢復，也只能減輕全球CO2排放量的11%[9]。因此，對現有的高濃度CO2，最迫切要做的就是開發CO2捕獲和儲存（CCS）技術[10]。

圖12018 年世界一次能源消費結構

圖2 全球二氧化碳排放量變化圖

CCS主要依據燃燒過程分類，對CO2進行吸附、分離和運輸后儲存或再利用。目前，主要的CCS技術包括燃燒前捕集[11][12]、燃燒中捕集[13]和燃燒后捕集[14]，其中燃燒后捕集CO2發展的技術最為成熟。本文旨在研究CO2的最新燃燒后捕集方法，減少CO2排放量，以應對全球變暖并實現環境可持續發展。

1 傳統CO2捕集吸附劑

傳統的CO2吸附劑有活性炭、硅膠、沸石分子篩和高溫CO2吸附劑等。活性炭是研究較早的吸附劑之一，它是由木頭、果殼、廢紙、及煤等材料經過一系列炭化過程，并在活化、酸洗、漂洗等工藝后制成的無毒無味的材料，因為其巨大的比表面積和比孔容積被研究學者關注。活性炭的CO2吸附量雖然不是最高，但其價格低廉，化學性質穩定。如今研究學者致力于利用活性炭多孔可修飾的特點，將其表面嫁接其它物質，以此增加CO2分子和吸附劑表面的分子間作用力，以提高活性炭的CO2選擇吸附性和CO2吸附量。硅膠是二維空間網狀結構的氧化硅干凝膠，是由原硅酸的聚合體以鏈和網的形式構成的無定型多孔SiO2。因其在低pH值條件下形成凝膠，所以應用范圍在低溫低pH，而硅膠在高溫甚至環境溫度下都無法使用，實際應用受到很大的限制。沸石分子篩最早是在1940年時由Barrer等人利用水熱合成法，對含堿和硅酸鹽的水溶液進行加熱，首次成功合成低硅鋁比的沸石分子篩，隨后Barrer和他的團隊引入其它物質，合成了新型沸石分子篩[15]。沸石分子篩作為吸附劑時，可以通過吸附的不同分子的直徑大小來選擇性吸附，直徑大的分子無法進入孔道吸附，小分子可直接進入沸石分子篩的孔道。因其選擇性吸附的可調控性，被研究學者們青睞，但沸石分子篩只能在低溫且不含水的情況下吸附，所以應用受到阻礙。高溫CO2吸附劑，例如鈣基吸附劑、鋰基吸附劑等，來源于固體廢棄物，吸附劑價格低廉且易得，將視為垃圾的固體廢棄物再利用，除了能吸附CO2之外，顯得更加環保。高溫吸附劑可以在吸附后通過高溫煅燒再解吸附CO2，實現吸附劑的重復利用，且有效循環次數是所有已知吸附劑中最高的，但因其實施條件需要超高溫達1 000℃，運行成本過高，具體實施較為困難。因此，研究新型的價格合適、CO2吸附量較大，化學性質穩定且無二次污染的CO2吸附劑至關重要。

2 通過納米技術捕獲CO2

納米技術被定義為在1-100nm的納米尺度下有目的地處理物質。它有一些顯著的優點，例如特定的理化性質和大的比表面積和孔容積。納米材料分為納米復合材料、納米多孔、納米晶和納米空心結構材料四種。因為這些吸附劑使用不同的納米材料作為前驅體，所以與其它吸附劑相比，納米材料顯示出高吸附速率。納米材料的吸附性能還取決于吸附的目標氣體。納米級沸石是結晶多孔且具有高度序列的三維硅鋁酸鹽，其具有孔徑為0．5-1．2nm的堿土金屬和堿金屬元素，通過表面的活性位點與CO2分子相結合。具有嵌入納米顆粒的金屬有機骨架（MOF），CO2分子主要通過與骨架原子之間的色散力和排斥力等相互作用力，以物理吸附的形式吸附在MOFs材料表面。因為應用場合多且吸附效果好，納米材料是目前研究最多最廣泛捕集CO2方法之一，它提供了有希望的方面，但納米技術仍然需要經過實踐的測試。

3 利用藻類捕獲CO2

藻類是重要的碳匯，需要一定的有利條件來生長，例如pH、光、水、溫度和CO2等。100t微藻可以固定183t的CO2，因此與陸地植物相比，其具有快生長速率且強的CO2固定效率，而廢水作為培養原料，使其更加環保和經濟。Noel等人[16]利用負載CO2的溶劑通過無孔聚合物膜的內部，使存儲在溶劑中的CO2穿過膜，溶解在介質中并成為微藻的碳源。該方法通過了化學吸收、膜分離捕獲了CO2，消除了常規捕集方法中將捕獲后的CO2壓縮、運輸、封存入海底的經濟成本，且捕獲溶劑再生的能量損失低，無二次污染的產生。該系統已被證明是CO2捕獲溶劑的高效方法之一。

4 利用木炭捕獲CO2

木炭等多孔碳酸化合物具有穩定的化學性質，且有良好的吸附性能、熱穩定性、可回收性和較低的成本，因此通過碳吸附控制CO2是理想選擇之一。木炭在捕獲CO2方面起著至關重要的作用，它在一個緊湊的木炭形成窯中產生，通過感應加熱器維持溫度，并在熱解過程中通過溫度傳感器有效地檢測溫度（碳化和活化通常在高溫下進行），然后，將其研磨并在室溫下冷卻。這種制備方法得到的木炭可以高效捕獲CO2。

5 結語

在全球能源需求增大、可再生能源占比份額低的情況下，燃燒化石燃料是不可避免的。由于向可再生能源的完全過度需要一個多世紀，CO2捕集顯得尤為重要。在傳統吸附劑都有各自缺點、難于實際實施的情況下，本文解釋了現有的幾種高效新型捕集CO2的方式，通過捕獲有害的溫室氣體，以環境友好的方式燃燒化石燃料得到生態可持續發展。