CO2捕集及利用技術(shù)的前景與挑戰(zhàn)

楊遠(yuǎn)欣(山東省煙臺(tái)第二中學(xué), 山東 煙臺(tái) 264000)

CO2捕集及利用技術(shù)的前景與挑戰(zhàn)

楊遠(yuǎn)欣(山東省煙臺(tái)第二中學(xué), 山東 煙臺(tái) 264000)

近年來，為應(yīng)對(duì)溫室氣體排放問題和日益增長的能源需求問題，CO2捕集與利用技術(shù)作為潛在的解決方案受到了研究者的廣泛關(guān)注。利用CO2作為原料來制造有價(jià)值的化學(xué)品、材料和運(yùn)輸燃料，可能擁有更廣闊的前景，并可以提供比封存技術(shù)更好、更長期的解決方案。利用CO2作為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品可以補(bǔ)充或替代精細(xì)化工、制藥、高分子等行業(yè)的化工原料。本綜述首先概述了CO2捕集技術(shù)和CO2利用方法的現(xiàn)狀，以及它們?cè)谛屎徒?jīng)濟(jì)方面的前景與挑戰(zhàn)，并為新技術(shù)在未來的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用提供了一個(gè)視角。

CO2捕集;CO2利用;可持續(xù)化工;耦合工藝

0 引言

眾所周知，CO2對(duì)全球氣候變化的影響十分巨大[1]。降低CO2的排放量需要在短期內(nèi)開發(fā)先進(jìn)的低碳化石能源技術(shù)。而另一方面，隨著世界人口的日益增加，未來幾十年的能源需求將大幅增加。為了同時(shí)解決控制溫室氣體的排放量和能源短缺的問題，可以采取將CO2進(jìn)行捕集并將其作為生產(chǎn)化工產(chǎn)品的原料的方法。

碳捕集和封存技術(shù)指的是有選擇性地捕集混合氣中的CO2，并將其壓縮為超臨界狀態(tài)封存在地層深處，使之長期與大氣隔絕的過程。這個(gè)技術(shù)盡管可以大大減少CO2的排放量，但由于其壓縮成本較高，無法大規(guī)模應(yīng)用。作為一個(gè)更有前景的替代方案，將捕集的CO2作為可再生能源來補(bǔ)充或替代石化原料的碳捕集和利用技術(shù)近來受到廣泛的關(guān)注[2]。

本文的目的是回顧近年來碳捕集和利用技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)概述碳管理當(dāng)前的前景與挑戰(zhàn)。

1 CO2的捕集

從燃燒的不同階段劃分，CO2的捕集技術(shù)主要分為四種：燃燒前CO2捕集、化學(xué)鏈燃燒、富氧燃燒和燃燒后CO2捕集。其中燃燒后CO2捕集技術(shù)適用性強(qiáng)，發(fā)展相對(duì)成熟。目前，燃燒后捕集技術(shù)主要有化學(xué)吸收法、膜分離法、物理吸附法等[3]。

1.1 化學(xué)吸收法

通過化學(xué)溶劑對(duì)CO2進(jìn)行吸收是石化行業(yè)中最成熟的分離技術(shù)。在鋼鐵廠、發(fā)電廠和煉油廠等行業(yè)中，通過氨水溶液，單乙醇胺、二乙醇胺、N-甲基二乙醇胺等醇胺溶液和Ca(OH)2、NaOH等堿性溶液對(duì)CO2的化學(xué)吸收是最常用的方法。近來，離子液體以其低揮發(fā)性、高熱穩(wěn)定性和低再生能耗等特性成為前述方法中常規(guī)溶劑的合適替代溶劑。然而，離子液體也有其自身負(fù)載能力較低的缺陷，這大大限制了它在CO2捕集中的大規(guī)模應(yīng)用[4]。

化學(xué)吸收法捕集CO2以其高效的捕集效率逐漸成為一種成熟的技術(shù)，但由于吸收劑再生所需的能耗較高，也使得其具有能量損耗過高等明顯的缺點(diǎn)。此外，對(duì)設(shè)備的腐蝕等限制操作條件都是該技術(shù)廣泛應(yīng)用的障礙。因此，低能耗高效率的捕集CO2的化學(xué)吸收法中，選擇熱力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的最佳組合溶劑至關(guān)重要[5]。另外，吸收劑中毒也是化學(xué)吸收法的另一大問題。混合氣中的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致化學(xué)溶劑穩(wěn)定性降低，因此，除了抗氧化性和抗揮發(fā)性外，溶劑對(duì)雜質(zhì)的耐受性也被視為評(píng)價(jià)性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。新型溶劑的開發(fā)和新型工藝的改進(jìn)都是發(fā)展化學(xué)吸收技術(shù)的關(guān)鍵。

1.2 膜分離法

膜分離法相較于其他分離方法更加節(jié)能和環(huán)保，并且可以在穩(wěn)態(tài)條件下連續(xù)操作。除了膜的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、組成和操作條件外，膜的材料也在很大程度上決定其分離性能。

各種由分子篩、金屬有機(jī)框架、碳分子篩、陶瓷和少量氧化物組成的多孔無機(jī)膜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于煙道氣捕集CO2中。雖然多孔無機(jī)膜具有耐高溫和機(jī)械穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但其高昂的成本仍成為商業(yè)化的最大阻礙，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到大規(guī)模使用。此外，無機(jī)膜的長期穩(wěn)定性和可靠性仍有待驗(yàn)證。

由中空纖維構(gòu)成的聚合物復(fù)合膜在工業(yè)應(yīng)用中顯示出了巨大的潛力。相較于無機(jī)膜，聚合物膜可以提供更高的堆密度，更高的比表面積和較低的生產(chǎn)成本。但聚合物膜也有其分離性能差的缺陷，使用聚合物膜捕集CO2仍具有若干缺點(diǎn)，例如對(duì)氣體的選擇性較差，易溶脹，對(duì)雜質(zhì)的高敏感性等[6]。解決傳統(tǒng)聚合物所存在的問題的方法是利用在聚合物基體內(nèi)含有較大自由孔的內(nèi)在微孔聚合物，這些聚合物允許較高的CO2通量。

混合基質(zhì)膜是由分子篩顆粒和聚合物基體組成的，是一種具有良好前景的接觸器，它可以將聚合物膜的大規(guī)模處理與分子篩材料分離性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合[7]。在利用膜技術(shù)捕集CO2的發(fā)展中，未來的重點(diǎn)應(yīng)該集中在利用由聚合物和無機(jī)成分共同構(gòu)成的具有更高性能的復(fù)合膜。改進(jìn)復(fù)合膜的方法是改變化學(xué)反應(yīng)，重新設(shè)計(jì)材料以及處理工藝，這將為復(fù)合膜捕集CO2提供更加良好的發(fā)展前景。

1.3 物理吸附法

多孔固體吸附劑為CO2的捕集提供了一種有前景的方法。物理吸附法可以從不同的混合氣中有選擇性的捕集CO2。物理吸附劑一般包括高溫材料和低溫材料。高溫材料主要包括水滑石、堿性氧化物、鈣氧化物和堿性硅酸鹽等，而低溫吸附劑包括傳統(tǒng)多孔材料，如沸石、碳基材料、分子篩等。

除了制造工藝和操作條件外，吸附過程的效率和經(jīng)濟(jì)性通常取決于吸附劑的特性。一般來說，對(duì)于任何氣體分離過程，吸附劑都需要滿足較大的處理能力、較高的選擇性、低成本和低再生能耗等要求，以便有效的進(jìn)行大規(guī)模分離應(yīng)用。

在吸附CO2的過程中，由于工藝簡單、低能耗和低成本等優(yōu)勢，物理吸附捕集CO2引起了廣泛的關(guān)注。然而傳統(tǒng)吸附劑普遍存在受其他氣體干擾而選擇性差，或因溫度變化影響導(dǎo)致吸附量低等特點(diǎn)。因此新型復(fù)合吸收劑的開發(fā)為解決傳統(tǒng)吸附劑的問題打開了出路。

雖然物理吸附CO2可以解決吸收過程中的大部分問題，但現(xiàn)有的技術(shù)在目前的發(fā)展階段仍不是最有效的。此外，任何高性能吸附劑的設(shè)計(jì)、開發(fā)和評(píng)估都應(yīng)該與其實(shí)際性能和工藝過程緊密結(jié)合。

2 CO2的利用

將CO2作為可再生能源，利用CO2作為原料生產(chǎn)各種有價(jià)值的產(chǎn)品是一種可行的方案。這個(gè)過程需要在經(jīng)濟(jì)，安全并且對(duì)環(huán)境友好。主要利用途徑是化學(xué)轉(zhuǎn)化。CO2作為一種原材料被普遍使用在飲料行業(yè)、食品保護(hù)、尿素生產(chǎn)以及聚合物合成中。然而，目前大氣中排放的CO2僅有不足1%作為上述行業(yè)的原材料。因此CO2的利用前景相當(dāng)廣泛，應(yīng)該努力將捕集的CO2轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品。

CO2的利用將解決CO2封存帶來的問題，如高成本、公眾接受和長期不確定性。此外，它還能使捕集CO2具有商業(yè)價(jià)值，并可以部分取代礦物燃料作為能源的來源之一。CO2的利用技術(shù)可以為可持續(xù)發(fā)展開辟新的路徑。

2.1 生產(chǎn)燃料

CO2轉(zhuǎn)化為燃料被認(rèn)為是利用CO2的最佳途徑。利用捕獲的CO2作為原料可以生產(chǎn)甲烷、甲醇、合成氣和烷烴等化合物，產(chǎn)出的燃料可以用于各行各業(yè)，包括燃料電池、發(fā)電廠等。

二氧化碳加氫是一種很有前景的二氧化碳利用途徑，主要是由于它同時(shí)提供了解決回收CO2、產(chǎn)生燃料問題的可能性。甲烷的氫化重整也被認(rèn)為是生產(chǎn)甲醇和各種其他液體燃料的重要途徑之一。但對(duì)于交通運(yùn)輸來說，甲烷作為燃料的價(jià)值并不高，因?yàn)樗臍怏w密度很低。更確切地說，二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化為甲醇似乎是一個(gè)更好的途徑。然而，在甲醇生產(chǎn)中，催化劑將成為主要的問題，目前測試的催化劑在經(jīng)濟(jì)性上缺乏吸引力。雖然甲醇在涂料、塑料、內(nèi)燃機(jī)和有機(jī)溶劑中有很多應(yīng)用，但它的生產(chǎn)卻只減少了0.1%的二氧化碳排放量。二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳的反應(yīng)也是利用CO2的重要的途徑之一，因?yàn)镃O是合成甲醇和碳?xì)淙剂系脑牧?。此外，開發(fā)能夠加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的活性催化劑，使產(chǎn)量最大化，是CO2利用技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

將CO2作為軟氧化劑的氧化脫氫，也是一種很有吸引力的方法。它可以降低焦炭的形成量，維持催化劑在高溫下的穩(wěn)定性。此外，CO2也可以形成氧化還原循環(huán)，產(chǎn)生活性氧。

顯然上述討論的以CO2為原料來合成燃料的利用技術(shù)的主要障礙在于設(shè)計(jì)和開發(fā)新型催化劑，新型催化劑不僅要在不同反應(yīng)條件下表現(xiàn)出高的催化活性，也要具備長期的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2 化學(xué)產(chǎn)品

除了合成燃料，CO2還可以作為原料生產(chǎn)大量精細(xì)化學(xué)品。最重要的應(yīng)用是尿素和無機(jī)碳酸鹽。尿素作為一種主要的肥料，有最大的二氧化碳利用市場。同時(shí)，CO2還被廣泛應(yīng)用于聚合物合成、制藥和尿素樹脂等化學(xué)品的原料。

在制藥、農(nóng)用化學(xué)品、聚合物、潤滑油、涂料的成產(chǎn)過程中，有許多有機(jī)碳化合物可以由捕集的CO2生產(chǎn)，如?；妓猁}、碳酸二甲酯、聚碳酸酯等。這一過程的問題主要源于反應(yīng)在高溫高壓下的進(jìn)行和對(duì)催化劑的需求量。此外，從產(chǎn)品中分離催化劑也是這個(gè)過程中的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

另一種可以通過二氧化碳制備的重要化學(xué)物質(zhì)是甲酸。近年來，甲酸的氫化反應(yīng)由于其反應(yīng)條件溫和，副產(chǎn)品的減少，液體的儲(chǔ)氫能力，以及將甲酸分解成氫氣和二氧化碳的能力，引起了研究者的興趣。

總的來說，盡管將CO2轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和燃料有巨大的市場前景，但目前實(shí)驗(yàn)室規(guī)模技術(shù)仍遠(yuǎn)未達(dá)到工業(yè)化和商業(yè)化。究其原因，部分原因是目前的材料成本昂貴且化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，另一部分原因在于CO2轉(zhuǎn)化率和主要產(chǎn)品的總收率都較低，因此不符合大規(guī)模應(yīng)用的要求。

3 展望

在這篇簡短的綜述中，從效率和成本的角度提出了CO2捕集和利用技術(shù)當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來的機(jī)遇。近年來各種CO2捕集和利用技術(shù)在設(shè)計(jì)和開發(fā)方面取得了重大進(jìn)展，在工業(yè)應(yīng)用上擁有了一些案例。然而，大多數(shù)技術(shù)到目前為止仍處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究階段。在大多數(shù)CO2捕集和利用方法中使用的材料的長期穩(wěn)定性也是一個(gè)重要的考慮因素，它不僅影響系統(tǒng)性能，而且影響了整個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)性。此外，對(duì)材料或過程的小規(guī)模評(píng)估應(yīng)該考慮到大規(guī)模應(yīng)用的要求，以提供對(duì)現(xiàn)實(shí)性能的評(píng)價(jià)，減少不確定性。成本和效益是決定是否采用新興CO2捕集和利用技術(shù)的關(guān)鍵因素。

未來研究的重點(diǎn)應(yīng)該是耦合過程，即兩個(gè)結(jié)合的子系統(tǒng)同時(shí)提供CO2捕集和利用方法。盡管很多新興的耦合系統(tǒng)有許多子系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢，但這些新興技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用仍需要對(duì)材料開發(fā)、過程操作上進(jìn)行更詳盡的研究。

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