可以“捕獲”二氧化碳的高性能復(fù)合膜

王志

天津大學教授、博士生導師，北京膜學會副理事長，天津市膜科學與海水淡化技術(shù)重點實驗室主任。多年來主要圍繞水處理、海水淡化和二氧化碳減排等國家重大需求展開膜科學與技術(shù)研究，主持科研項目40余項，其中包括國家自然科學基金重點項目4項、國家海洋公益性行業(yè)科研專項1項、國家重點研發(fā)計劃項目1項;作為骨干參加“973計劃”項目、“863計劃”項目和國家重點研發(fā)計劃項目等7項。在國際著名期刊發(fā)表SCI論文近400篇，獲授權(quán)國家發(fā)明專利49項。

全球的能量供應(yīng)嚴重依賴化石燃料的燃燒，然而溫室氣體的無限制排放引發(fā)的“溫室效應(yīng)”導致全球變暖、海平面上升、極端天氣事件頻發(fā)等問題愈演愈烈。

我國十分重視由碳排放帶來的環(huán)境問題。十九大報告強調(diào)我國應(yīng)著力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系;2020年第75屆聯(lián)合國大會期間，我國正式提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標;十九屆五中全會通過的“十四五規(guī)劃”和“2035愿景”目標提出，加快推動綠色低碳發(fā)展，降低碳排放強度，支持有條件的地方率先達到碳排放峰值;2020年12月召開的中央經(jīng)濟工作會議，將“雙碳”目標作為2021年要做好的八項重點任務(wù)之一，并強調(diào)應(yīng)加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)，推動煤炭消費盡早達峰，大力發(fā)展新能源。

在眾多碳中和技術(shù)路徑中，有一個治理思路，因其可高效降低大氣二氧化碳濃度的前景而格外引人注意，那便是CCUS技術(shù)（二氧化碳的捕集、利用和封存）。目前我國面臨碳排放總量大、碳減排時間短、經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級挑戰(zhàn)多和能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型難度大等復(fù)雜挑戰(zhàn)，二氧化碳的捕集利用和封存可以有效降低大氣中二氧化碳濃度，進而抑制溫室效應(yīng)，對于緩解工業(yè)生產(chǎn)過程中溫室氣體的排放具有重要意義。科協(xié)頻道、《科研成果與傳播》雜志就碳捕集技術(shù)如何推進實現(xiàn)碳中和目標話題采訪了天津大學教授、博士生導師，北京膜學會副理事長，天津市膜科學與海水淡化技術(shù)重點實驗室主任王志。

助力碳中和，膜法碳捕集技術(shù)發(fā)展前景廣闊

碳排放的主要來源有燃煤電廠煙道排放氣、水泥行業(yè)及鋼鐵行業(yè)尾氣，這些排放量巨大的碳源可以通過吸收、吸附和膜分離法等方法進行捕集。以吸收法為代表的第一代碳捕集技術(shù)趨于成熟，分離效果較好，但是存在著溶劑再生能耗高、設(shè)備易腐蝕等問題。作為第二代碳捕集技術(shù)的代表，膜分離法可利用二氧化碳與其他氣體組分由于尺寸、冷凝性及反應(yīng)性不同導致氣體分子在膜內(nèi)透過速率的差異實現(xiàn)分離，具有能耗低、無溶劑揮發(fā)、占地面積小、放大效應(yīng)不顯著、適用于各種處理規(guī)模等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。

膜法碳捕集技術(shù)可以高效、低成本地實現(xiàn)燃煤電廠煙道氣碳捕集以及煤制氫合成氣、天然氣和沼氣純化，有助于降低我國碳排放，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)經(jīng)濟社會的低碳發(fā)展。目前國內(nèi)外僅美國Membrane Technology & Research有限公司（MTR公司）和天津大學牽頭的團隊進行了煙道氣膜法碳捕集的中試試驗?zāi)酥凉I(yè)示范，有望實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

天津大學王志教授牽頭團隊逐一突破了膜材料規(guī)模化制備、膜規(guī)模化制備、膜組件研制和膜分離工藝及裝置設(shè)計建造等各個環(huán)節(jié)的技術(shù)難題，基本打通了膜法捕集二氧化碳技術(shù)鏈。

先進膜材料的研發(fā)是整個技術(shù)鏈的基礎(chǔ)和核心。王志團隊長期致力于高性能二氧化碳分離聚合物膜材料的研發(fā)。目前，與國外MTR公司和德國亥姆霍茲研究中心研發(fā)的材料相比，王志團隊開發(fā)的聚合物膜材料富含可與二氧化碳產(chǎn)生可逆作用的基團，這強化了二氧化碳在膜中的傳遞，使膜具有很高的二氧化碳分離性能。

為了實現(xiàn)規(guī)模化所制復(fù)合膜超薄且無缺陷，團隊利用陰離子增稠劑、陰離子表面活性劑、陽離子聚合物之間的協(xié)同作用，實現(xiàn)了低濃度水基涂膜液在疏水中間層表面的良好鋪展，并通過簡單的表面交聯(lián)策略提高了膜的二氧化碳的分離效果，最終制備出了實驗室規(guī)模的高性能二氧化碳分離多層復(fù)合膜。在實驗室制膜工藝基礎(chǔ)上，設(shè)計制造了工業(yè)規(guī)模制膜生產(chǎn)線。優(yōu)化涂膜液配比解決了硅橡膠中間層涂膜液過快凝膠化問題，開發(fā)了濕-干聯(lián)合涂覆工藝，并通過優(yōu)化生產(chǎn)線運行速度、烘干溫度和分離層表面交聯(lián)劑濃度等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)了具有薄且無缺陷分離層的二氧化碳分離復(fù)合膜的規(guī)模化制備，目前生產(chǎn)線年生產(chǎn)能力為11萬米2。

推進碳中和，科技發(fā)揮核心支撐作用

膜法碳捕集技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力，是二氧化碳捕集封存與利用的重要組成部分，將為實現(xiàn)“雙碳”目標作出巨大貢獻。目前，膜法碳捕集技術(shù)已在天然氣純化領(lǐng)域占據(jù)10%的市場份額，并在燃煤電廠煙道氣碳捕集領(lǐng)域開展了工業(yè)示范研究，但尚未實現(xiàn)廣泛的工業(yè)應(yīng)用，技術(shù)鏈條中的各個階段尚待優(yōu)化和深化研究。膜法碳捕集靈活性高，可以適用于各種規(guī)模的碳捕集場合，特別是對非連續(xù)操作捕集、對占地面積要求少、對環(huán)境無污染的場合能發(fā)揮更好的作用，同時膜分離技術(shù)也容易和其他技術(shù)進行耦合來應(yīng)對一些復(fù)雜的碳捕集場合。

提及下一步研究計劃，王志團隊將繼續(xù)優(yōu)化二氧化碳分離膜材料和膜分離工藝，推動膜法碳捕集技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。團隊將在已有研究基礎(chǔ)上，圍繞“納米填料與聚合物相互作用”的核心特征，將高二氧化碳分離性能的多孔材料引入聚合物基質(zhì)中，形成二氧化碳分離混合基質(zhì)復(fù)合膜規(guī)模化制備技術(shù)和初步的膜應(yīng)用技術(shù)。

“要想實現(xiàn)碳達峰、碳中和的國家戰(zhàn)略目標，相關(guān)研究領(lǐng)域的科研工作者還需要在多個領(lǐng)域、學科密切配合，完整地打通CCUS技術(shù)鏈，打造良好的體系運行生態(tài)。開發(fā)低能耗高效的碳捕集技術(shù)、安全可靠的二氧化碳壓縮與運輸技術(shù)，發(fā)展二氧化碳的下游利用產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)二氧化碳的高效循環(huán)利用，可以有效推動整個技術(shù)鏈的發(fā)展。”王志說。