二氧化碳的捕集方法探索

李浩然(天津大學(xué),天津 300072)

1 背景

隨著幾十億年積累的化石能源在近幾百年來爆發(fā)性使用，空氣中二氧化碳的含量持續(xù)增加，直接導(dǎo)致了全球氣溫升高。為了緩解氣溫升高對人類以及地球自然生態(tài)環(huán)境造成的威脅與破壞，必須控制因化石能源的燃燒而排放到空氣中的二氧化碳，從而達到降低氣溫升高的目的。目前，二氧化碳的捕集方法主要有物理/化學(xué)吸收法、吸附法、膜分離法等。

以上各種方法均有各自的優(yōu)、缺點，可單獨使用，但多數(shù)情況下結(jié)合起來使用有著更加廣闊的發(fā)展前景，例如物理化學(xué)吸收法、膜分離—吸收聯(lián)合法。在實際生產(chǎn)中需根據(jù)原料氣的組成、處理量及對二氧化碳產(chǎn)品純度的要求來選擇合適的方法。

2 膜分離法分離二氧化碳

2.1 膜分離法相關(guān)原理

膜分離技術(shù)主要是利用混合氣體中氣體與膜材料之間的物理或者化學(xué)反應(yīng)來進行選擇性吸收與分離的技術(shù)。其原理主要是使得氣體能快速溶解于吸收液并通過分離膜或吸收膜快速傳遞，從而達到吸收氣體在膜的一側(cè)濃度降低，而在另一側(cè)富集的目的。

根據(jù)膜對氣體分離機理的不同，通?？蓪⑵浞譃榉蛛x膜和吸收膜兩類。其中吸收膜主要是利用化學(xué)吸收液對氣體進行選擇吸收；而分離膜起到了將與化學(xué)吸收液分隔開的作用，使得在吸收膜的兩側(cè)形成濃度差，為吸收膜吸收做出了準備。因此，在膜分離技術(shù)的實施過程中通常需要吸收膜和分離膜兩者共同來完成。

2.2 膜分離技術(shù)面的下問題

2.2.1 高溫對膜的破壞：通常情況下所處理的煙氣具有較高溫度，若未經(jīng)低溫處理會對后期分離過程中使用的膜造成損壞。

2.2.2 其他化學(xué)物質(zhì)對膜吸收的干擾：煙氣中除外含有種類繁多的化學(xué)物質(zhì)，會對膜吸收造成干擾，所以在分離前需要對煙氣進行預(yù)處理或?qū)δみM行化學(xué)處理；

2.2.3 煙氣中濃度較低：較低濃度的無疑會降低膜的吸收效率，因此處理前對于煙氣中的富集顯得尤為重要，此外也可選用高選擇性的化學(xué)吸收劑對膜進行改性；

2.2.4 能耗問題：處理過程中煙氣經(jīng)過膜，需要在兩側(cè)形成壓差，需要耗用額外能量。

2.3 氣體膜分離技術(shù)

2.3.1 氣體膜分離現(xiàn)狀

氣體膜分離就是在壓力驅(qū)動下，把要分離的氣體通過膜的選擇滲透作用使其分離的過程。早在20世紀70年代初期，氣體膜分離技術(shù)已被投入工業(yè)應(yīng)用。隨著1979年Monsanto公司推出“Prism”H:/N:膜分離裝置，氣體膜分離的技術(shù)的市場地位得到確定。近年來，環(huán)境問題日益嚴峻，也促使了該項技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣體膜分離富氧、富氮、天然氣中酸性氣體的脫除，以及空氣和天然氣脫濕等已得到成功應(yīng)用。

2.3.2 氣體膜傳質(zhì)機理

氣體分離膜主要有4種傳質(zhì)機理，分別是依靠分子量（努森擴散）、表面相互作用（包括表面擴散和毛細凝聚）、分子尺寸（分子篩）進行氣體分離

2.3.3 氣體膜分離技術(shù)的研究進展

鑒于膜接觸器可以提供較大的接觸面積，傳統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)逐漸被疏水性微孔膜氣液接觸器所取代。同時，大量的研究關(guān)注于中空纖維膜接觸器的膜材料：聚丙烯、α-纖維素、聚偏氟乙烯、硅橡膠以及聚砜，配合無機物納米粒子應(yīng)用于不同膜材料、膜技術(shù)，進一步優(yōu)化了膜的氣體滲透性和選擇性。由于聚丙烯膜材料價格低廉、便于工業(yè)大規(guī)模推廣，聚丙烯材料膜的優(yōu)化成為了目前研究的重點。

2.3.4 氣體膜技術(shù)分離CO2存在的問題

近年來，利用氣體膜技術(shù)除去混合氣中酸性氣體受到越來越多的關(guān)注，但研究大多停留在實驗室階段。問題主要存在于以下幾點：

2.3.4.1 膜及膜組件材料耐熱性較差：考慮到膜選擇性和滲透性的要求，目前工業(yè)應(yīng)用中主要研究方向為有機高分子膜；但是相比于無機膜，其耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性以及機械強度都有一定的局限；

2.3.4.2 混合氣體的干擾：探究溫度、壓力對氣體膜分離過程的影響時，實驗室采用的多為配氣（較為干凈）；而實際中由于工藝等差異，導(dǎo)致混合氣的組成十分復(fù)雜，含有的雜質(zhì)氣會影響膜的分離效果。

2.3.5 氣體膜分離技術(shù)的展望

由于操作簡單靈活、環(huán)境友好，并能有效分離混合氣中酸性（）組分，氣體膜分離技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。未來其發(fā)展方向主要有以下幾個方面：

2.3.5.1 研究探索新的成膜技術(shù)，完善其理論體系，進而指導(dǎo)合成具有理想形態(tài)結(jié)構(gòu)的材料；

2.3.5.2 將研究重點置于提高膜材料的氣體滲透性，選擇性，化學(xué)及機械穩(wěn)定性，同時降低價格成本提高市場競爭力；

2.3.5.3 改進提升氣體膜分離技術(shù)的工藝流程，結(jié)合其他分離工藝技術(shù)發(fā)展新型集成分離技術(shù)。

3 結(jié)語

環(huán)境問題的日益加劇，溫室效應(yīng)的日趨嚴重，使全球各學(xué)術(shù)界更加關(guān)注環(huán)保問題。盡管大量研究致力于新能源的開發(fā)與利用，但在未來相當長的時期內(nèi)，人類仍然需要依賴煤、石油等化石燃料。面對電力以及石油行業(yè)產(chǎn)生的大量含廢氣，各種煙氣分離與捕集技術(shù)正在被廣泛研究與推廣。憑借高捕集效率以及較低的捕集和再生能耗，膜分離技術(shù)有著廣闊的工藝應(yīng)用于發(fā)展前景；同時高穩(wěn)定性，高選擇性的新型膜材料的研發(fā)也是未來的發(fā)展方向和發(fā)展重點。