「前沿热点」西安交通大学吴志强副教授：空气中直接捕集技术研究进展

2022-08-03 11:46 来源：读者提供作者：网友发布浏览：0

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半个世纪以来，人类活动导致全球二氧化碳排放量逐年增加，加剧了全球变暖。通过二氧化碳减排等碳中和技术来延缓全球变暖越来越受到关注。为了实现碳负排放，生物质能和CO2捕集与封存技术越来越受到重视。直接捕集空气体中的CO2，只是一种通过工程系统从环境空气体中去除CO2的技术，可以有效降低大气中的CO2浓度。

Xi交通大学吴志强副教授在介绍DAC技术的基础上，重点介绍了DAC关键材料、主要设备及技术经济可行性的研究现状，并展望了其未来发展趋势。

摘要

减少碳排放、促进碳中和是应对气候变化、推动经济社会绿色转型的重要途径之一。碳中和技术已经成为工业界和学术界关注的焦点。目前，碳捕集与封存主要针对工业固定源排放的CO2，而对占CO2排放总量近50%的分布式源关注较少。Direct 空气体捕集技术不仅可以捕集数百万个小型化石燃料燃烧装置和数亿辆汽车排放的CO2，还可以有效降低大气中的CO2浓度。介绍了DAC的发展历史、研究现状和发展趋势，总结了现有DAC技术的工艺流程和反应装置，描述了当前DAC技术涉及的空气体捕获模块、吸收剂或吸附剂再生模块和CO2储存模块，比较了几种技术、吸附剂类型和再生方式的优缺点，指出DAC技术发展的关键在于研发高效、低成本的吸收/吸附材料和设备。分析了DAC吸附/吸附材料的作用原理和吸附效果。碱性溶液的原料成本相对较低，但再生过程中的能耗较高。分子筛和金属有机骨架吸附剂虽然再生能耗低，但对空气体中CO2的吸附容量和选择性一般。胺类具有良好的吸附能力，且由于其再生温度低，可利用工业余热或少量热能为系统供能。当使用胺吸附剂时，吸附和解吸在一个单元中逐渐发生，具有更高的效率和操作时间，并有望降低DAC系统的成本。将DAC的成本与其他碳捕集技术进行了比较，并进行了技术经济分析。DAC的成本主要包括运行和维护成本、吸附材料成本和工厂设备的净成本。指出目前限制DAC工业化应用的主要因素之一是吸收/吸附材料及相关工艺的高成本。随着阴离子交换树脂等新型吸附剂的出现和工艺的发展，DAC的成本逐年下降。全面探索吸收/吸附材料的稳定性、动力学、吸附容量、选择性、再生能量损失等综合性能，是DAC领域的发展方向和迫切需求。，开发有利于吸附剂快速装卸的相关装置，开发低成本的工艺系统。

1 DAC发展历史

工业CO2减排方法主要有CCS和CCUS。这两种技术主要处理从大型固定点源排放的CO2，例如基于化石燃料的发电厂、炼油厂和化工厂。然而，近50%的温室气体排放来自分布式源，除了工业和电力行业等固定点源。因此，迫切需要一种技术来捕获和利用来自这些分布式来源的CO2。

空直接捕集气体中CO2的技术是一种回收利用分布式源排放的CO2的技术。DAC工艺流程:空气体中的CO2被吸附剂捕集，捕集后的吸附剂通过改变热量、压力或温度进行再生。再生的吸附剂再次用于CO2捕获，而纯CO2被储存。

DAC技术的优势在于，它可以从数百万个小型化石燃料燃烧设备和数亿辆汽车中捕获CO2。此外，与主要针对固定源捕获的CCS或CCUS技术相比，DAC器件的位置更加灵活。DAC技术可以与CCS技术相结合来捕获从CCS技术储存中泄漏的CO2。CO2排放量增加的趋势是不可避免的，DAC技术的合理应用可能导致“负碳排放”，这将大大降低大气中的CO2浓度。

2 DAC技术

目前DAC工艺一般由空气体捕集模块、吸收剂或吸附剂再生模块和CO2储存模块组成。DAC在工业领域的发展还处于起步阶段。限制DAC发展的主要因素之一是成本高，目前大多是小规模或中试规模。

DAC的关键技术之一在于开发和设计高效、低成本的吸收/吸附材料。因此，如何开发具有高吸附容量和高选择性的吸附材料是未来DAC技术商业化应用的关键。此外，从吸附剂中解吸CO2的过程必须简单、高效且耗能。吸收/吸附材料可以重复使用。

DAC技术的另一个关键是开发高效率、低成本的设备。DAC技术涉及的装置主要有捕集装置、吸附或吸收装置、解吸或再生装置。改进空气体捕集装置以提高CO2捕集率是降低成本的关键。这对吸附装置和解吸装置的改进和研究具有重要意义。目前工业领域很少涉及DAC，因此相关DAC器件的报道很少。总的来说，DAC技术的工艺强化和工艺系统的整合优化是降低成本的关键。

3 DAC吸附/吸附材料的研究进展

研究人员应重点研究碱性溶液、分子筛和金属有机骨架、胺类吸附材料等。碱性溶液用于DAC的优势在于反应原料成本低，但再生阶段需要较高的反应温度和较高的能耗。研究人员希望找到一种结构稳定、可以在较低温度范围内再生的材料，从而降低DAC的成本。

沸石良好的结构稳定性在DAC领域备受关注，但主要挑战是有水存在时CO2吸收能力下降。所以需要干空气，这样会增加系统的复杂度和运行成本。因此，一些研究人员提出将MOFs用于DAC技术。目前，提高MOFs材料CO2吸附能力的途径主要有两种，一种是通过负载胺类化合物来提高吸附位点与CO2分子的亲和力；二是通过调整孔径和活性中心的分布来构建特殊的几何通道以吸收更多的CO2。然而，现有的MOFs等物理吸附材料对空气体中CO2的吸附选择性较低，难以满足DAC的要求。今后，有必要进一步开发不同的MOFs材料以提高空气体中CO2的吸附选择性。

目前固态胺吸附剂的制备可分为以下三类:第一类基于物理浸渍，第二类通过硅烷键共价结合，第三类通过原位聚合直接共价结合。

第一类胺吸附剂通常通过将固体材料浸泡在有机胺溶液中，将活性组分储存在材料通道中，蒸发溶剂，干燥和活化来制备。由于DAC大多采用变温吸附工艺，因此需要一种挥发分相对较低的胺类物质，以减少吸附剂的降解和吸附剂再生过程中胺的损失。低分子量PEI在变温吸附中胺基密度高，再生能耗低，是DAC性能研究中使用的主要含胺聚合物。

第二类胺吸附剂是通过化学接枝将胺基连接到载体表面，一般是通过氨基硅烷偶联剂的硅烷键与二氧化硅固体表面的硅羟基发生硅烷反应来实现的。与第一类吸附剂相比，第二类吸附剂可以将氨基更均匀地分散在载体表面，并且由于化学键不易断裂，化学接枝制备的吸附剂一般具有更高的耐热性，不仅增加了单位面积的CO2吸附活性，而且延长了吸附剂在高温下的使用寿命。但由于材料表面硅羟基数量有限，接枝氨基数量减少，CO2吸附量低于第一种吸附剂。

第三种胺吸附剂是共价结合在固体载体上的聚合胺的组合。这种吸附剂富含胺，比前两种胺类吸附剂具有更好的吸附能力。同时，胺基的共价结合使其更具重现性。

一般来说，碱性溶液吸附CO2的原料成本相对较低，但碱性溶液再生过程中的能耗较高。分子筛和金属有机骨架吸附剂虽然再生能耗低，但对空气体中CO2的吸附容量和选择性一般，难以满足DAC的要求。胺类不仅表现出良好的吸附能力，而且由于其再生温度低，可以利用工业余热或少量热能为系统供能。当使用胺吸附剂时，吸附和解吸在一个单元中逐渐发生，并且吸附或解吸集中在一个单元中，这具有更高的效率和操作时间，并且有望降低系统成本。

除了上述三种吸附材料，以季铵型阴离子交换树脂为吸附剂的湿法再生吸附也备受关注。该方法依靠吸附剂的强碱性和亲水性，主要通过改变环境水蒸气压力来吸附干燥状态下的CO2和解吸湿状态下的CO2。与其他方法相比，湿法再生在热力学上突破了常规变温/变压吸附能耗高的问题，但仍缺乏具有良好吸附能力的吸附剂，吸附动力学有待进一步研究。

DAC工艺的经济分析

目前，DAC是一项相对较新的创新技术，处于早期商用阶段，因此评估大规模应用的经济性尤为重要。基于高温水溶液吸收和低温固体吸附不同路线的DAC的资本支出几乎处于同一水平。而低温固体吸附由于对热量的需求较低，具有利用余热降低成本的潜力，被认为是更有前途的选择。

随着吸附剂和工艺的发展，DAC的成本不断下降。一些用于DAC吸附的阴离子交换树脂成本降至3 $/kg，商用MOFs成本可达50~70 $/kg，量产后成本可能降至10 $/kg。尽管这些材料必须经过结构调整才能获得良好的吸附能力，但它们已显示出巨大的应用前景。随着未来吸附材料的发展以及吸附剂寿命和稳定性的提高，DAC的成本会进一步降低。

结论与展望

自从1999年Lackner提出DAC技术缓解气候变化以来，DAC的可行性一直受到广泛的争论。但随着技术的发展和工艺的逐步完善，国外公司基于碱性溶液和胺类吸附剂的DAC大规模应用的初步探索和国内学者基于湿式再生吸附技术的实验研究表明，DAC在助力碳减排和实现碳中和方面具有巨大的应用潜力。总的来说，国内外学者对DAC进行了初步探索，并尝试运行大型设施。未来对DAC的研究需要更多关注以下几个方面:

1)进一步开发低成本、高通量、高选择性的DAC吸附/吸收材料，探索胺类等新型吸附剂对低浓度CO2的吸附能力，对DAC吸附/吸收材料的稳定性、寿命和循环性能进行长期试验，为DAC技术后续大规模应用奠定基础。

2)可快速装卸吸附剂的RD DAC相关设备，提出适合DAC工艺的工艺强化技术，开发基于不同吸附剂的高效工艺，整合优化工艺系统，构建低成本、设备简单的DAC工艺系统。

3)结合生命周期评估等手段，开展不同时间和空尺度下耦合DAC过程与可再生能源系统的技术经济评估和碳减排潜力分析，为减少全球碳排放、实现碳中和提供重要技术支撑。

该研究成果以“气体中CO2捕集技术的研究进展空”为题首次发表在《洁净煤技术》互联网上。

引用格式

贾森，郭伟，张博，等.气体中CO_直接捕集技术的研究进展[J/OL].洁净煤技术:1-13[2021年2月22日]。http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3676