CO₂捕集技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)效益綜述

張壯壯 馮帥 劉璐 嚴(yán)文瑞 王世飛

摘 要：隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展，CO2的排放量不斷升高，導(dǎo)致大氣中CO2的含量也隨之提升，不管對(duì)經(jīng)濟(jì)還是生態(tài)都造成了巨大的損失。近些年來(lái)科技發(fā)展日新月異，導(dǎo)致我們對(duì)CO2也有了全新的認(rèn)識(shí)，特別是在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用使得CO2變廢為寶，由溫室氣體變成一種“氣體肥料”。要想利用CO2，第一步也是最重要的一步便是對(duì)CO2的吸附，目前對(duì)CO2的吸附方法有很多種，主流還是用化學(xué)吸附方法，即利用有機(jī)胺對(duì)CO2進(jìn)行吸收。本文通過(guò)查詢大量文獻(xiàn)和研究，系統(tǒng)地闡述了CO2的捕集技術(shù)及其給農(nóng)業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：CO2；CO2捕集技術(shù)；農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)

文章編號(hào)：1004-7026（2017）11-0148-02 中國(guó)圖書分類號(hào)：X773 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

進(jìn)入21世紀(jì)以后，現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，隨之而來(lái)的全球變暖、資源危機(jī)、水資源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為人類生存面臨的幾大首要問(wèn)題[1]。其中全球變暖帶來(lái)的海嘯、暴風(fēng)雪及低溫雨雪冰凍災(zāi)害性事件在世界頻發(fā)，冰川消融，海岸線上漲，可供人類和其他生物居住的地方越來(lái)越小，全球變暖已經(jīng)對(duì)人類甚至于整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)造成了不可忽視的影響。人們認(rèn)為全球變暖主要是由于人類對(duì)于森林，草原等植被的破壞以及在生產(chǎn)生活中大量使用化石原料造成的[2]。植被遭到破壞使得大地過(guò)多地吸收了從太陽(yáng)照射過(guò)來(lái)的能量，導(dǎo)致氣溫升高；另一方面，人類活動(dòng)使得自然界的碳循環(huán)失衡，化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2大量積累，而CO2是最主要的溫室氣體，這是氣候變暖的最主要原因[3]。

煤炭是我國(guó)的能源主體[4]，且在未找到合適的替代能源之前，煤炭將在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)作為中國(guó)這個(gè)有著13億人口的國(guó)家的主要能量來(lái)源。煤炭在解決了能源問(wèn)題的同時(shí)，其燃燒產(chǎn)生的CO2也成為了我們目前需要解決的首要問(wèn)題[5]。節(jié)能減排、綠色出行是現(xiàn)代生活的主題，CO2的捕集與再利用也成了科學(xué)家研究的熱門問(wèn)題。

1 CO2捕集研究現(xiàn)狀

目前對(duì)CO2的研究主要集中在CO2分子的捕集、封存與釋放這幾個(gè)方面。其中對(duì)CO2捕集與封存的研究最為重要，CO2的捕集主要包括物理吸附法，化學(xué)吸收法及生物捕集法。

（a）物理吸收法

物理吸收法指用利用一些對(duì)CO2溶解度較大的溶劑在高壓低溫的條件下對(duì)CO2進(jìn)行溶解吸收的方法。在吸收過(guò)程中不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在低壓高溫的條件下將CO2釋放出來(lái)進(jìn)行再利用。

（b）化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法是利用含堿或堿性溶液來(lái)吸收工業(yè)廢氣中的CO2，將CO2分子轉(zhuǎn)化成CO32-，再在高溫條件下將CO2釋放出來(lái)的方法。堿性溶液可以反復(fù)使用，該溶液應(yīng)對(duì)CO2具有較強(qiáng)的選擇性且不易揮發(fā)、毒性小和不易燃燒等特點(diǎn)。

（c）生物捕集法

生物捕集法指在微藻等生物生長(zhǎng)過(guò)程中將CO2作為唯一碳源，使其在生長(zhǎng)過(guò)程中將CO2捕集，固定。藻類生物可以利用CO2快速生長(zhǎng)并合成有機(jī)物，受到國(guó)內(nèi)外很多研究學(xué)者的關(guān)注[6]。利用微藻吸收CO2可固定大量工業(yè)廢氣中的CO2，然后利用微藻產(chǎn)生的有機(jī)物來(lái)制備化工原料。這對(duì)于CO2減排、水資源與能源危機(jī)全球性問(wèn)題的解決具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

3 CO2在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

在解放初期之前，人們一般認(rèn)為CO2是一種利用價(jià)值較低的氣體。但是隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人口基數(shù)的不斷增大，人們生活水平的提高，同時(shí)國(guó)家科研力度的整體上升，對(duì)CO2的利用也有了相當(dāng)明顯的改善，CO2利用的年增長(zhǎng)率為5%～8%，體現(xiàn)在各個(gè)行業(yè)中，工業(yè)中的CO2保護(hù)焊接，制冷劑以及用于生產(chǎn)各類化工產(chǎn)品；農(nóng)業(yè)中的殺毒劑，植物的光合作用的利用等等，大大的改善了人們的生活，同時(shí)也體現(xiàn)了低碳環(huán)保循環(huán)利用的理念。下面我們將主要從CO2在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)方面所帶來(lái)的好處入手剖析。

（a）促進(jìn)植物的生長(zhǎng)

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，從數(shù)量上來(lái)說(shuō)，中國(guó)擁有近8億的農(nóng)民，但是中國(guó)用占世界7%的土地養(yǎng)活了世界20%的人口。其次，從歷史上來(lái)說(shuō)，中國(guó)至今就是一個(gè)重視農(nóng)業(yè)的國(guó)家，農(nóng)業(yè)貫穿著中國(guó)整個(gè)歷史，如何提高農(nóng)作物產(chǎn)量一直是我們研究的話題。植物可通過(guò)其本身所含有的葉綠素進(jìn)行光合作用，進(jìn)而將CO2轉(zhuǎn)變成碳水化合物，提高植物的產(chǎn)量。現(xiàn)如今我國(guó)的大棚蔬菜技術(shù)的推廣也已經(jīng)證明，在塑料大棚中注入一定濃度的CO2氣體，可以加快植物的光合作用，進(jìn)而縮短植物的生長(zhǎng)周期，同時(shí)在產(chǎn)率方面提高10～20個(gè)百分點(diǎn)。據(jù)調(diào)查，1tCO2氣體可以供應(yīng)3.33hm2地的大棚使用25d左右[7]。

（b）消毒殺蟲的作用

在CO2的環(huán)境中具有抗氧化作用和滅菌殺毒的作用，尤其體現(xiàn)在可以完全抑制發(fā)霉。所以說(shuō)CO2在蔬菜，果品以及糧食儲(chǔ)存運(yùn)輸中可以起到很好的保鮮保質(zhì)作用。以前我們儲(chǔ)存糧食通常使用熏蒸劑，而通過(guò)后期的研究我們發(fā)現(xiàn)CO2在儲(chǔ)存方面所體現(xiàn)的效果更加優(yōu)良。美國(guó)的艾爾科大米公司進(jìn)行的工業(yè)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)表明，CO2可以穿透裝有500t大米的儲(chǔ)存庫(kù)，在通過(guò)注入CO224h之后發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的大米中的成蟲死掉了99%[8]?，F(xiàn)如今世界各地廣泛使用CO2來(lái)代替熏蒸劑來(lái)儲(chǔ)存糧食，這不僅體現(xiàn)了低碳環(huán)保的理念，同時(shí)也在降低溫室氣體的排放方面體現(xiàn)了應(yīng)有的價(jià)值。

4 CO2利用的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)價(jià)值及前沿成果

CO2利用不好是溫室氣體，利用恰當(dāng)就是氣體肥料。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中吸收水和CO2，并且通過(guò)光合作用將CO2中的碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖，這是世界上生命存在的基礎(chǔ)。植物進(jìn)行光合作用的原料碳原子主要有兩個(gè)來(lái)源，一是通過(guò)吸收空氣中的CO2，二是通過(guò)根部吸收土壤中的碳酸氫根陰離子，其中CO2的吸收占主要部分。我省是碳排放大省，如何利用好CO2來(lái)造福農(nóng)業(yè)是迫在眉睫的大事。據(jù)報(bào)道，當(dāng)溫室大棚內(nèi)CO2濃度大于大氣中的2～3倍時(shí)，大部分的蔬菜產(chǎn)量可以提高1倍[9]。利用CO2來(lái)發(fā)展富碳農(nóng)業(yè)，設(shè)施蔬菜產(chǎn)量可以大幅增加，可以為全省帶來(lái)上千億元的經(jīng)濟(jì)效益[10]。在當(dāng)前我國(guó)大力發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的基調(diào)下，利用CO2作為氣體肥料可以得到相關(guān)政策的大力支持。

因此，要想利用好CO2必須得從CO2的吸附入手，吸收工藝的水平直接影響到后續(xù)整個(gè)工程的成本和效果。目前對(duì)CO2吸附的研究層出不窮，主要是通過(guò)固態(tài)胺的吸附。工業(yè)吸附劑必須具備以下5點(diǎn)要求：內(nèi)表面積足夠大；具有良好的選擇性吸附作用；具有足夠大的吸附容量；具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性；來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，以適應(yīng)對(duì)吸附劑的日益增長(zhǎng)的需要。其中以乙醇胺（MEA）對(duì)CO2的吸收最為廣泛和深入[11]。在已知的研究進(jìn)展中，滿足以上五點(diǎn)要求的吸附劑少之甚少，每一種有機(jī)胺都有自身的局限性，如MEA解吸附的速率較慢，對(duì)一些材料具有很強(qiáng)的腐蝕性，MDEA吸附速率較低等，目前已知的單一胺吸附劑很難同時(shí)解決吸附速率和解吸附速率這兩個(gè)問(wèn)題，研究面較窄。但是對(duì)于混合胺溶液，研究方向和體系就非常的廣泛了，主要有MEA/MDEA混合胺溶液體系、MEA/DETA混合胺溶液體系等，在MEA/DETA體系中，對(duì)CO2的吸收率甚至高達(dá)72%，并且解吸附的效果也很不錯(cuò)。在未來(lái)有機(jī)胺吸附劑將主要集中在對(duì)混合胺溶液的研究上，因此這種混合體系具有吸收量大，吸附速率和解吸附速率高、能耗較低等優(yōu)點(diǎn)。

近些年來(lái)實(shí)踐證明，不管是在環(huán)境保護(hù)方面還是提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益方面，施用CO2氣體肥料都發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。它是一項(xiàng)投資少、效益高、原料廣、操作簡(jiǎn)單的新技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)許多地方已經(jīng)推廣使用開[12]。另外排放CO2較多的工業(yè)企業(yè)也可以使用CO2吸附技術(shù)，捕集CO2所產(chǎn)生的成本將被向下游銷售氣體肥料的收入抵消，同時(shí)也延伸了產(chǎn)業(yè)，將企業(yè)減排的壓力化為經(jīng)濟(jì)動(dòng)力，也大大地減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)。

注釋：

[1]IPCC Fourth Assessment Report： Climate Change.2007.

[2]IEA（International Energy Agency）. How the energy sector can deliver on a climate agreement in Copenhagen. Special early expert of the World Energy Outlook 2009 for the Bangkok UNFCCC meeting. Oct，2009.

[3]吳兌.溫室氣體與溫室效應(yīng).北京：氣象出版社，2003.

[4]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)信息部.全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)（2008年）.2009.

[5]白冰，李小春，劉延鋒，等.中國(guó)CO2集中排放源調(diào)查及其分布特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（S1）：2918-2923.

[6]Mascarelli A L.Gold rush for algae.Nature，2009，461：460-461.

[7]郭寶林.開發(fā)利用CO2資源提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[J].燕山油化，1984，（02）：142-146.

[8]國(guó)外化工消息，CO2能使米蟲致死，第24期（1982）

[9]程國(guó)媛.吃掉CO2農(nóng)業(yè)大發(fā)展[N].山西日?qǐng)?bào)，2016-01-28（C03）.

[10]中國(guó)科學(xué)家建議回收CO2作肥料發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)[J].種業(yè)導(dǎo)刊，2010，（02）：40.

[11]史建公，劉志堅(jiān)，趙良英，張毅，張敏宏.CO2有機(jī)胺吸收劑研究進(jìn)展[J].中外能源，2014，（09）：16-25.

[12]王興才，卜蕓華，朱壽齡，陳新建，董樹貴，王善芝.氣肥CO2的應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)效益的研究[J].百泉農(nóng)專學(xué)報(bào)，1983，（02）：18-23.