捕集二氧化碳的希望之路

章曉彤 李芳芹 任建興 馮海軍 侯 鑫 馬 闖

上海電力大學(xué)

關(guān)鍵字：溫室效應(yīng);CO2捕集;納米材料

0 引言

幾十億年來(lái)，地球都有著穩(wěn)定的碳循環(huán)，植物的光合作用對(duì)CO2進(jìn)行轉(zhuǎn)化與吸收，CO2還可以與海洋進(jìn)行交換，因此在工業(yè)革命之前，地球上CO2濃度一直在200mL·m-3左右波動(dòng)[1]。近幾十年來(lái)，人類社會(huì)不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)也突飛猛進(jìn)，工業(yè)中CO2過(guò)量釋放，其中煤、石油、天然氣和其它能源消耗（如圖1所示）排放的CO2急劇增加。與此同時(shí)，由于城市發(fā)展，土地的利用和變遷，地球上的綠色植被被大量砍伐，導(dǎo)致大自然自身的CO2凈化能力下降[2]。CO2濃度已從280ppm上升到400ppm，全球表面溫度增加0．8℃[3]，最近的CO2濃度更是達(dá)到408．8ppm[4]。全球CO2排放量變化（如圖2所示）。Leung等預(yù)測(cè)到本世紀(jì)末，CO2的濃度將到達(dá)600-700ppm，且地表平均溫度將升高 4．5-5℃[5]。

影響CO2濃度的關(guān)鍵因素是不確定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和技術(shù)變化以及人類和自然的發(fā)展[6]。政府氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）認(rèn)為，為了防止我們的星球遭到災(zāi)難性的后果，期望到2050年溫室氣體的排放減少50-80%[7]。2015年12月，約190個(gè)國(guó)家聚集巴黎提出限制CO2濃度，以便在本世紀(jì)末將上升的平均溫度控制在2℃。各方科學(xué)家認(rèn)為，可以采用眾多節(jié)能措施，提高現(xiàn)有化石燃料使用效率[8]，開發(fā)清潔新能源與可再生能源，同時(shí)提高綠化面積，加強(qiáng)植物的光合作用。然而現(xiàn)有結(jié)果顯示，如果所有森林面積都得到恢復(fù)，也只能減輕全球CO2排放量的11%[9]。因此，對(duì)現(xiàn)有的高濃度CO2，最迫切要做的就是開發(fā)CO2捕獲和儲(chǔ)存（CCS）技術(shù)[10]。

圖12018 年世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

圖2 全球二氧化碳排放量變化圖

CCS主要依據(jù)燃燒過(guò)程分類，對(duì)CO2進(jìn)行吸附、分離和運(yùn)輸后儲(chǔ)存或再利用。目前，主要的CCS技術(shù)包括燃燒前捕集[11][12]、燃燒中捕集[13]和燃燒后捕集[14]，其中燃燒后捕集CO2發(fā)展的技術(shù)最為成熟。本文旨在研究CO2的最新燃燒后捕集方法，減少CO2排放量，以應(yīng)對(duì)全球變暖并實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

1 傳統(tǒng)CO2捕集吸附劑

傳統(tǒng)的CO2吸附劑有活性炭、硅膠、沸石分子篩和高溫CO2吸附劑等?；钚蕴渴茄芯枯^早的吸附劑之一，它是由木頭、果殼、廢紙、及煤等材料經(jīng)過(guò)一系列炭化過(guò)程，并在活化、酸洗、漂洗等工藝后制成的無(wú)毒無(wú)味的材料，因?yàn)槠渚薮蟮谋缺砻娣e和比孔容積被研究學(xué)者關(guān)注?；钚蕴康腃O2吸附量雖然不是最高，但其價(jià)格低廉，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。如今研究學(xué)者致力于利用活性炭多孔可修飾的特點(diǎn)，將其表面嫁接其它物質(zhì)，以此增加CO2分子和吸附劑表面的分子間作用力，以提高活性炭的CO2選擇吸附性和CO2吸附量。硅膠是二維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的氧化硅干凝膠，是由原硅酸的聚合體以鏈和網(wǎng)的形式構(gòu)成的無(wú)定型多孔SiO2。因其在低pH值條件下形成凝膠，所以應(yīng)用范圍在低溫低pH，而硅膠在高溫甚至環(huán)境溫度下都無(wú)法使用，實(shí)際應(yīng)用受到很大的限制。沸石分子篩最早是在1940年時(shí)由Barrer等人利用水熱合成法，對(duì)含堿和硅酸鹽的水溶液進(jìn)行加熱，首次成功合成低硅鋁比的沸石分子篩，隨后Barrer和他的團(tuán)隊(duì)引入其它物質(zhì)，合成了新型沸石分子篩[15]。沸石分子篩作為吸附劑時(shí)，可以通過(guò)吸附的不同分子的直徑大小來(lái)選擇性吸附，直徑大的分子無(wú)法進(jìn)入孔道吸附，小分子可直接進(jìn)入沸石分子篩的孔道。因其選擇性吸附的可調(diào)控性，被研究學(xué)者們青睞，但沸石分子篩只能在低溫且不含水的情況下吸附，所以應(yīng)用受到阻礙。高溫CO2吸附劑，例如鈣基吸附劑、鋰基吸附劑等，來(lái)源于固體廢棄物，吸附劑價(jià)格低廉且易得，將視為垃圾的固體廢棄物再利用，除了能吸附CO2之外，顯得更加環(huán)保。高溫吸附劑可以在吸附后通過(guò)高溫煅燒再解吸附CO2，實(shí)現(xiàn)吸附劑的重復(fù)利用，且有效循環(huán)次數(shù)是所有已知吸附劑中最高的，但因其實(shí)施條件需要超高溫達(dá)1 000℃，運(yùn)行成本過(guò)高，具體實(shí)施較為困難。因此，研究新型的價(jià)格合適、CO2吸附量較大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且無(wú)二次污染的CO2吸附劑至關(guān)重要。

2 通過(guò)納米技術(shù)捕獲CO2

納米技術(shù)被定義為在1-100nm的納米尺度下有目的地處理物質(zhì)。它有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如特定的理化性質(zhì)和大的比表面積和孔容積。納米材料分為納米復(fù)合材料、納米多孔、納米晶和納米空心結(jié)構(gòu)材料四種。因?yàn)檫@些吸附劑使用不同的納米材料作為前驅(qū)體，所以與其它吸附劑相比，納米材料顯示出高吸附速率。納米材料的吸附性能還取決于吸附的目標(biāo)氣體。納米級(jí)沸石是結(jié)晶多孔且具有高度序列的三維硅鋁酸鹽，其具有孔徑為0．5-1．2nm的堿土金屬和堿金屬元素，通過(guò)表面的活性位點(diǎn)與CO2分子相結(jié)合。具有嵌入納米顆粒的金屬有機(jī)骨架（MOF），CO2分子主要通過(guò)與骨架原子之間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?yàn)閼?yīng)用場(chǎng)合多且吸附效果好，納米材料是目前研究最多最廣泛捕集CO2方法之一，它提供了有希望的方面，但納米技術(shù)仍然需要經(jīng)過(guò)實(shí)踐的測(cè)試。

3 利用藻類捕獲CO2

藻類是重要的碳匯，需要一定的有利條件來(lái)生長(zhǎng)，例如pH、光、水、溫度和CO2等。100t微藻可以固定183t的CO2，因此與陸地植物相比，其具有快生長(zhǎng)速率且強(qiáng)的CO2固定效率，而廢水作為培養(yǎng)原料，使其更加環(huán)保和經(jīng)濟(jì)。Noel等人[16]利用負(fù)載CO2的溶劑通過(guò)無(wú)孔聚合物膜的內(nèi)部，使存儲(chǔ)在溶劑中的CO2穿過(guò)膜，溶解在介質(zhì)中并成為微藻的碳源。該方法通過(guò)了化學(xué)吸收、膜分離捕獲了CO2，消除了常規(guī)捕集方法中將捕獲后的CO2壓縮、運(yùn)輸、封存入海底的經(jīng)濟(jì)成本，且捕獲溶劑再生的能量損失低，無(wú)二次污染的產(chǎn)生。該系統(tǒng)已被證明是CO2捕獲溶劑的高效方法之一。

4 利用木炭捕獲CO2

木炭等多孔碳酸化合物具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，且有良好的吸附性能、熱穩(wěn)定性、可回收性和較低的成本，因此通過(guò)碳吸附控制CO2是理想選擇之一。木炭在捕獲CO2方面起著至關(guān)重要的作用，它在一個(gè)緊湊的木炭形成窯中產(chǎn)生，通過(guò)感應(yīng)加熱器維持溫度，并在熱解過(guò)程中通過(guò)溫度傳感器有效地檢測(cè)溫度（碳化和活化通常在高溫下進(jìn)行），然后，將其研磨并在室溫下冷卻。這種制備方法得到的木炭可以高效捕獲CO2。

5 結(jié)語(yǔ)

在全球能源需求增大、可再生能源占比份額低的情況下，燃燒化石燃料是不可避免的。由于向可再生能源的完全過(guò)度需要一個(gè)多世紀(jì)，CO2捕集顯得尤為重要。在傳統(tǒng)吸附劑都有各自缺點(diǎn)、難于實(shí)際實(shí)施的情況下，本文解釋了現(xiàn)有的幾種高效新型捕集CO2的方式，通過(guò)捕獲有害的溫室氣體，以環(huán)境友好的方式燃燒化石燃料得到生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。