可以“捕获”二氧化碳的高性能复合膜

王志

天津大学教授、博士生导师，北京膜学会副理事长，天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室主任。多年来主要围绕水处理、海水淡化和二氧化碳减排等国家重大需求展开膜科学与技术研究，主持科研项目40余项，其中包括国家自然科学基金重点项目4项、国家海洋公益性行业科研专项1项、国家重点研发计划项目1项;作为骨干参加“973计划”项目、“863计划”项目和国家重点研发计划项目等7项。在国际著名期刊发表SCI论文近400篇，获授权国家发明专利49项。

全球的能量供应严重依赖化石燃料的燃烧，然而温室气体的无限制排放引发的“温室效应”导致全球变暖、海平面上升、极端天气事件频发等问题愈演愈烈。

我国十分重视由碳排放带来的环境问题。十九大报告强调我国应着力构建清洁低碳、安全高效的能源体系;2020年第75届联合国大会期间，我国正式提出了“双碳”战略目标;十九届五中全会通过的“十四五规划”和“2035愿景”目标提出，加快推动绿色低碳发展，降低碳排放强度，支持有条件的地方率先达到碳排放峰值;2020年12月召开的中央经济工作会议，将“双碳”目标作为2021年要做好的八项重点任务之一，并强调应加快调整优化产业结构、能源结构，推动煤炭消费尽早达峰，大力发展新能源。

在众多碳中和技术路径中，有一个治理思路，因其可高效降低大气二氧化碳浓度的前景而格外引人注意，那便是CCUS技术（二氧化碳的捕集、利用和封存）。目前我国面临碳排放总量大、碳减排时间短、经济转型升级挑战多和能源系统转型难度大等复杂挑战，二氧化碳的捕集利用和封存可以有效降低大气中二氧化碳浓度，进而抑制温室效应，对于缓解工业生产过程中温室气体的排放具有重要意义。科协频道、《科研成果与传播》杂志就碳捕集技术如何推进实现碳中和目标话题采访了天津大学教授、博士生导师，北京膜学会副理事长，天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室主任王志。

助力碳中和，膜法碳捕集技术发展前景广阔

碳排放的主要来源有燃煤电厂烟道排放气、水泥行业及钢铁行业尾气，这些排放量巨大的碳源可以通过吸收、吸附和膜分离法等方法进行捕集。以吸收法为代表的第一代碳捕集技术趋于成熟，分离效果较好，但是存在着溶剂再生能耗高、设备易腐蚀等问题。作为第二代碳捕集技术的代表，膜分离法可利用二氧化碳与其他气体组分由于尺寸、冷凝性及反应性不同导致气体分子在膜内透过速率的差异实现分离，具有能耗低、无溶剂挥发、占地面积小、放大效应不显著、适用于各种处理规模等优点，应用前景广阔。

膜法碳捕集技术可以高效、低成本地实现燃煤电厂烟道气碳捕集以及煤制氢合成气、天然气和沼气纯化，有助于降低我国碳排放，优化能源结构，实现经济社会的低碳发展。目前国内外仅美国Membrane Technology & Research有限公司（MTR公司）和天津大学牵头的团队进行了烟道气膜法碳捕集的中试试验乃至工业示范，有望实现大规模商业化应用。

天津大学王志教授牵头团队逐一突破了膜材料规模化制备、膜规模化制备、膜组件研制和膜分离工艺及装置设计建造等各个环节的技术难题，基本打通了膜法捕集二氧化碳技术链。

先进膜材料的研发是整个技术链的基础和核心。王志团队长期致力于高性能二氧化碳分离聚合物膜材料的研发。目前，与国外MTR公司和德国亥姆霍兹研究中心研发的材料相比，王志团队开发的聚合物膜材料富含可与二氧化碳产生可逆作用的基团，这强化了二氧化碳在膜中的传递，使膜具有很高的二氧化碳分离性能。

为了实现规模化所制复合膜超薄且无缺陷，团队利用阴离子增稠剂、阴离子表面活性剂、阳离子聚合物之间的协同作用，实现了低浓度水基涂膜液在疏水中间层表面的良好铺展，并通过简单的表面交联策略提高了膜的二氧化碳的分离效果，最终制备出了实验室规模的高性能二氧化碳分离多层复合膜。在实验室制膜工艺基础上，设计制造了工业规模制膜生产线。优化涂膜液配比解决了硅橡胶中间层涂膜液过快凝胶化问题，开发了湿-干联合涂覆工艺，并通过优化生产线运行速度、烘干温度和分离层表面交联剂浓度等关键参数，实现了具有薄且无缺陷分离层的二氧化碳分离复合膜的规模化制备，目前生产线年生产能力为11万米2。

推进碳中和，科技发挥核心支撑作用

膜法碳捕集技术具有巨大的应用潜力，是二氧化碳捕集封存与利用的重要组成部分，将为实现“双碳”目标作出巨大贡献。目前，膜法碳捕集技术已在天然气纯化领域占据10%的市场份額，并在燃煤电厂烟道气碳捕集领域开展了工业示范研究，但尚未实现广泛的工业应用，技术链条中的各个阶段尚待优化和深化研究。膜法碳捕集灵活性高，可以适用于各种规模的碳捕集场合，特别是对非连续操作捕集、对占地面积要求少、对环境无污染的场合能发挥更好的作用，同时膜分离技术也容易和其他技术进行耦合来应对一些复杂的碳捕集场合。

提及下一步研究计划，王志团队将继续优化二氧化碳分离膜材料和膜分离工艺，推动膜法碳捕集技术的工业化应用。团队将在已有研究基础上，围绕“纳米填料与聚合物相互作用”的核心特征，将高二氧化碳分离性能的多孔材料引入聚合物基质中，形成二氧化碳分离混合基质复合膜规模化制备技术和初步的膜应用技术。

“要想实现碳达峰、碳中和的国家战略目标，相关研究领域的科研工作者还需要在多个领域、学科密切配合，完整地打通CCUS技术链，打造良好的体系运行生态。开发低能耗高效的碳捕集技术、安全可靠的二氧化碳压缩与运输技术，发展二氧化碳的下游利用产业，实现二氧化碳的高效循环利用，可以有效推动整个技术链的发展。”王志说。