捕集二氧化碳的希望之路

章晓彤 李芳芹 任建兴 冯海军 侯 鑫 马 闯

上海电力大学

关键字：温室效应;CO2捕集;纳米材料

0 引言

几十亿年来，地球都有着稳定的碳循环，植物的光合作用对CO2进行转化与吸收，CO2还可以与海洋进行交换，因此在工业革命之前，地球上CO2浓度一直在200mL·m-3左右波动[1]。近几十年来，人类社会不断进步，科学技术也突飞猛进，工业中CO2过量释放，其中煤、石油、天然气和其它能源消耗（如图1所示）排放的CO2急剧增加。与此同时，由于城市发展，土地的利用和变迁，地球上的绿色植被被大量砍伐，导致大自然自身的CO2净化能力下降[2]。CO2浓度已从280ppm上升到400ppm，全球表面温度增加0．8℃[3]，最近的CO2浓度更是达到408．8ppm[4]。全球CO2排放量变化（如图2所示）。Leung等预测到本世纪末，CO2的浓度将到达600-700ppm，且地表平均温度将升高 4．5-5℃[5]。

影响CO2浓度的关键因素是不确定的经济、社会和技术变化以及人类和自然的发展[6]。政府气候变化专门委员会（IPCC）认为，为了防止我们的星球遭到灾难性的后果，期望到2050年温室气体的排放减少50-80%[7]。2015年12月，约190个国家聚集巴黎提出限制CO2浓度，以便在本世纪末将上升的平均温度控制在2℃。各方科学家认为，可以采用众多节能措施，提高现有化石燃料使用效率[8]，开发清洁新能源与可再生能源，同时提高绿化面积，加强植物的光合作用。然而现有结果显示，如果所有森林面积都得到恢复，也只能减轻全球CO2排放量的11%[9]。因此，对现有的高浓度CO2，最迫切要做的就是开发CO2捕获和储存（CCS）技术[10]。

图12018 年世界一次能源消费结构

图2 全球二氧化碳排放量变化图

CCS主要依据燃烧过程分类，对CO2进行吸附、分离和运输后储存或再利用。目前，主要的CCS技术包括燃烧前捕集[11][12]、燃烧中捕集[13]和燃烧后捕集[14]，其中燃烧后捕集CO2发展的技术最为成熟。本文旨在研究CO2的最新燃烧后捕集方法，减少CO2排放量，以应对全球变暖并实现环境可持续发展。

1 传统CO2捕集吸附剂

传统的CO2吸附剂有活性炭、硅胶、沸石分子筛和高温CO2吸附剂等。活性炭是研究较早的吸附剂之一，它是由木头、果壳、废纸、及煤等材料经过一系列炭化过程，并在活化、酸洗、漂洗等工艺后制成的无毒无味的材料，因为其巨大的比表面积和比孔容积被研究学者关注。活性炭的CO2吸附量虽然不是最高，但其价格低廉，化学性质稳定。如今研究学者致力于利用活性炭多孔可修饰的特点，将其表面嫁接其它物质，以此增加CO2分子和吸附剂表面的分子间作用力，以提高活性炭的CO2选择吸附性和CO2吸附量。硅胶是二维空间网状结构的氧化硅干凝胶，是由原硅酸的聚合体以链和网的形式构成的无定型多孔SiO2。因其在低pH值条件下形成凝胶，所以应用范围在低温低pH，而硅胶在高温甚至环境温度下都无法使用，实际应用受到很大的限制。沸石分子筛最早是在1940年时由Barrer等人利用水热合成法，对含碱和硅酸盐的水溶液进行加热，首次成功合成低硅铝比的沸石分子筛，随后Barrer和他的团队引入其它物质，合成了新型沸石分子筛[15]。沸石分子筛作为吸附剂时，可以通过吸附的不同分子的直径大小来选择性吸附，直径大的分子无法进入孔道吸附，小分子可直接进入沸石分子筛的孔道。因其选择性吸附的可调控性，被研究学者们青睐，但沸石分子筛只能在低温且不含水的情况下吸附，所以应用受到阻碍。高温CO2吸附剂，例如钙基吸附剂、锂基吸附剂等，来源于固体废弃物，吸附剂价格低廉且易得，将视为垃圾的固体废弃物再利用，除了能吸附CO2之外，显得更加环保。高温吸附剂可以在吸附后通过高温煅烧再解吸附CO2，实现吸附剂的重复利用，且有效循环次数是所有已知吸附剂中最高的，但因其实施条件需要超高温达1 000℃，运行成本过高，具体实施较为困难。因此，研究新型的价格合适、CO2吸附量较大，化学性质稳定且无二次污染的CO2吸附剂至关重要。

2 通过纳米技术捕获CO2

纳米技术被定义为在1-100nm的纳米尺度下有目的地处理物质。它有一些显著的优点，例如特定的理化性质和大的比表面积和孔容积。纳米材料分为纳米复合材料、纳米多孔、纳米晶和纳米空心结构材料四种。因为这些吸附剂使用不同的纳米材料作为前驱体，所以与其它吸附剂相比，纳米材料显示出高吸附速率。纳米材料的吸附性能还取决于吸附的目标气体。纳米级沸石是结晶多孔且具有高度序列的三维硅铝酸盐，其具有孔径为0．5-1．2nm的碱土金属和碱金属元素，通过表面的活性位点与CO2分子相结合。具有嵌入纳米颗粒的金属有机骨架（MOF），CO2分子主要通过与骨架原子之间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。因为应用场合多且吸附效果好，纳米材料是目前研究最多最广泛捕集CO2方法之一，它提供了有希望的方面，但纳米技术仍然需要经过实践的测试。

3 利用藻类捕获CO2

藻类是重要的碳汇，需要一定的有利条件来生长，例如pH、光、水、温度和CO2等。100t微藻可以固定183t的CO2，因此与陆地植物相比，其具有快生长速率且强的CO2固定效率，而废水作为培养原料，使其更加环保和经济。Noel等人[16]利用负载CO2的溶剂通过无孔聚合物膜的内部，使存储在溶剂中的CO2穿过膜，溶解在介质中并成为微藻的碳源。该方法通过了化学吸收、膜分离捕获了CO2，消除了常规捕集方法中将捕获后的CO2压缩、运输、封存入海底的经济成本，且捕获溶剂再生的能量损失低，无二次污染的产生。该系统已被证明是CO2捕获溶剂的高效方法之一。

4 利用木炭捕获CO2

木炭等多孔碳酸化合物具有稳定的化学性质，且有良好的吸附性能、热稳定性、可回收性和较低的成本，因此通过碳吸附控制CO2是理想选择之一。木炭在捕获CO2方面起着至关重要的作用，它在一个紧凑的木炭形成窑中产生，通过感应加热器维持温度，并在热解过程中通过温度传感器有效地检测温度（碳化和活化通常在高温下进行），然后，将其研磨并在室温下冷却。这种制备方法得到的木炭可以高效捕获CO2。

5 结语

在全球能源需求增大、可再生能源占比份额低的情况下，燃烧化石燃料是不可避免的。由于向可再生能源的完全过度需要一个多世纪，CO2捕集显得尤为重要。在传统吸附剂都有各自缺点、难于实际实施的情况下，本文解释了现有的几种高效新型捕集CO2的方式，通过捕获有害的温室气体，以环境友好的方式燃烧化石燃料得到生态可持续发展。