「前沿热点」西安交通大学吴志强副教授：空气中直接捕集CO2技术研究进展

　　在过去半个多世纪里，人类活动导致全球CO2排放量逐年增加，加剧了全球变暖。通过CO2减排等碳中和技术来延缓全球变暖越来越受重视。为了实现碳负排放，生物质能源和CO2捕获及储存技术愈发受到重视。空气中直接捕集CO2（Direct air capture ,DAC）正是一种通过工程系统从环境空气中去除CO2的技术，该技术可有效降低大气中CO2浓度。

　　西安交通大学吴志强副教授在介绍DAC工艺的基础上，重点分析DAC关键材料、主要设备以及DAC技术经济可行性的研究现状，并对其未来发展趋势进行展望。

　　摘要

　　减少碳排放并推动碳中和是应对气候变化、促进经济社会绿色转型的重要途径之一，碳中和技术已成为工业界和学术界的关注焦点。目前碳捕集与封存主要对工业固定源排放的CO2进行处置捕集，而对占CO2总排放近50%的分布源CO2关注度不高。直接空气捕集（Direct air capture, DAC）技术不仅可对数以百万计的小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源排放的CO2进行捕集处理，还可有效降低大气中CO2浓度。介绍了DAC的发展历史、研究现状以及发展趋势，综述了已有DAC技术的工艺流程以及反应装置，对DAC现行工艺中涉及的空气捕捉模块、吸收剂或吸附剂再生模块、CO2储存模块进行了叙述，对比了几种工艺的优缺点以及吸附剂类型和再生方式，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吸收/吸附材料的作用原理以及吸附效果，碱性溶液原料成本相对低廉，但再生过程中能耗较高。分子筛及金属有机框架吸附剂虽然再生能耗较低，但对空气中CO2的吸附容量和吸附选择性表现一般。胺类吸附剂具有较好的吸附能力，由于其再生温度较低，可使用工业废热或少量热能为系统供能；使用胺类吸附剂时吸附和解吸在一个单元中逐步发生，具有更高的效率和操作时间，有望降低DAC系统成本。对比了DAC与其他碳捕集技术的成本并进行了技术经济性分析，DAC成本主要包含运营和维护成本、吸附剂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在于吸收/吸附材料和相关工艺成本过高，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成本逐年下降。全面探究吸收/吸附材料稳定性、动力学、吸附容量、选择性、再生能量损失等综合性能，研发利于快速装载和卸载吸附剂的相关装置，开发成本低廉的工艺系统是目前DAC领域的发展方向和迫切需求。

　　1 DAC发展历史

　　CO2工业减排方法主要包括碳捕集与封存技术CCS和碳捕集、利用与封存技术CCUS。这2种技术主要是对以化石燃料为基础的发电厂、炼油厂、化工厂等大型固定点源排放的CO2进行处理。然而除了工业以及电力行业等固定点源的温室气体排放，有接近50%的温室气体排放源自分布源。为此，亟需一种技术对这些分布源的CO2进行捕集和利用。

　　空气中直接捕集CO2（Direct air capture ,DAC）技术是一种回收利用分布源排放的CO2技术。DAC系技术流程：空气中CO2通过吸附剂进行捕集，完成捕集后的吸附剂通过改变热量、压力或温度进行吸附剂再生，再生后的吸附剂再次用于CO2捕集，而纯CO2则被储存起来。

　　DAC技术的优势主要在于可以对数以百万计的小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源的CO2进行捕集处理。此外，与CCS或CCUS这些主要针对固定源捕获的技术相比，DAC装置的布置地点具有更大的灵活性。且DAC技术可与CCS技术结合使用，对CCS技术储存中泄露的CO2进行捕捉。CO2排放量增长趋势不可避免，合理运用DAC技术可能出现碳“负排放”的情况，极大降低大气中CO2浓度。

　　2 DAC技术

　　目前，DAC工艺一般由空气捕捉模块、吸收剂或吸附剂再生模块、CO2储存模块三部分组成。DAC在工业领域的发展还处于初步阶段。限制DAC发展的主要因素之一为成本过高，目前大多以小试或中试为主。

　　DAC技术关键之一在于高效低成本吸收/吸附材料的开发设计。因此如何开发兼具高吸附容量和高选择性的吸附材料是DAC技术未来商业化应用的关键。此外，从吸附剂中解吸CO2过程也必须简单、高效、耗能少。吸收/吸附材料能经历多次循环使用。

　　DAC技术另一关键是高效低成本设备的开发。DAC技术涉及的装置主要有捕集装置、吸附或吸收装置、脱附或再生装置。改进空气捕集装置提高CO2捕集率是降低成本的关键。对吸附装置以及脱附装置的改进和研究至关重要。目前DAC在工业领域涉及较少，所以相关DAC设备研究报道较少。总体而言，对DAC技术进行过程强化以及对工艺系统进行整合优化是降低成本的关键。

　　3 DAC吸收/吸附材料研究进展

　　研究人员对DAC工艺涉及相关材料的研究要集中在碱性溶液、分子筛及金属有机框架、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，但再生阶段需要反应温度较高，能耗较大。研究人员希望寻找一种结构稳定且能在较低温度范围内再生的材料，从而降低DAC成本。

　　沸石分子筛较好的结构稳定性在DAC领域受到关注，但面临的主要挑战在于水分存在时CO2吸收能力下降。为此需要对空气进行干燥，这将增加系统的复杂性和运行成本。由此，部分研究人员提出将MOFs用于DAC技术。目前主要有2种方式来提高MOFs材料对CO2的吸附能力，一种是通过负载胺类化合物提高吸附部位与CO2分子的亲和能力；另一种是通过调整孔径以及活性位点的分布构建特殊的几何通道吸附更多的CO2。但现有MOFs以及其他物理吸附材料对于空气中CO2的吸附选择性不高，难以满足DAC的要求。未来还需要进一步开发不同的MOFs材料提高对空气中CO2吸附选择性。

　　目前，固体胺类吸附剂制备可以分为以下3类：第1类基于物理浸渍法制备，第2类通过硅烷键共价束缚，第3类通过原位聚合直接共价束缚。

　　第1类胺吸附剂通常是将固体材料浸渍于有机胺溶液中，活性组分贮存在材料孔道内部，经过蒸发溶剂、干燥活化制得。由于DAC多采用变温吸附工艺，需要一种相对挥发分较低的胺类物质来减少吸附剂再生期间吸附剂的降解以及胺的损失。低分子量的PEI在变温吸附中具有较高的胺基密度且再生时耗能低，是用于DAC性能研究的主要含胺聚合物。

　　第2类胺吸附剂是通过化学接枝法使胺基连接到载体表面，一般利用氨基硅烷偶联剂的硅烷键和SiO2基固体表面上的硅羟基间的硅烷反应实现。相比于第1类吸附剂，第2类吸附剂可以将氨基更加均匀分散在载体表面，且由于化学键不易破坏，通过化学接枝法制的的吸附剂一般具有更高的耐热性，不仅增加了单位面积上的CO2吸附活性，还延长了高温下吸附剂的使用寿命。但由于材料表面的硅羟基数目有限，使得接枝氨基的数量减少，CO2吸附容量低于第1类吸附剂。

　　第3类胺吸附剂是将共价结合的聚合胺整合到固体载体上，这类吸附剂富含胺，相比于前2类胺吸附剂具有更好的吸附能力。同时胺基团的共价束缚使其具有更好的再生性。

　　总体而言，碱性溶液吸附CO2时反应原料成本相对低廉，但碱性溶液再生过程中耗能较高。分子筛及金属有机框架吸附剂虽然再生耗能较低，但对空气中CO2的吸附容量和吸附选择性表现一般，导致其难以满足DAC要求。胺类吸附剂不仅展现出较好的吸附能力，由于其再生温度较低，可使用工业废热或少量热能为系统供能。使用胺类吸附剂时吸附和解吸在一个单元中逐步发生，将吸附或解吸集中在一个单元中，具有更高的效率和操作时间，有望降低系统成本。

　　除了以上3种吸附材料，以季胺型阴离子交换树脂为吸附剂的湿法再生吸附也颇受关注。该方法依赖于吸附剂的强碱性和亲水性，主要通过改变环境水汽压力，在干燥态对CO2进行吸附，湿润态对CO2进行脱附。相比于其他方法，湿法再生在热力学方面突破了常规变温/变压吸附的高能耗限制等问题，但目前仍缺乏吸附容量良好的吸附剂，吸附动力学也有待进一步研究。

　　4 DAC工艺的经济性分析

　　目前DAC是处于商业初期的相对较新的创新技术，进行大规模应用的经济性评估尤为重要。基于高温水溶液吸收和低温固体吸附的不同路线的DAC资本支出几乎处于同一水平，但低温固体吸附由于对热量需求低，有利用废热降低成本的潜力，被认为是更有应用前景的选择。

　　DAC成本随着吸附剂和工艺的发展不断下降。某些用于DAC吸附的阴离子交换树脂的成本降至3 $/kg，商业化MOFs成本能达到50~70 $/kg，而大规模生产后成本可能降至10 $/kg，虽然这些材料要经过结构调变才能获得很好的吸附容量，但已经展现出巨大的应用前景。未来随着吸附材料的发展以及吸附剂寿命和稳定性的提高，DAC成本会进一步下降。

　　5 结语及展望

　　自Lackner于1999年为了缓解气候变化提出DAC技术以来，DAC是否可行一直广受争议。但随着技术日益发展和工艺逐渐完善，国外公司基于碱性溶液和胺类吸附剂对DAC规模化应用的初步探索以及国内学者基于湿法再生吸附技术进行的试验研究都表明DAC在助力碳减排和实现碳中和方面具有巨大的应用潜力。总体而言，国内外学者对DAC进行了初步探索并尝试规模化设施的运行，未来关于DAC的研究需进一步关注以下方面：

　　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，开展DAC吸附/吸收材料稳定性、寿命及循环性能长周期测试，为后续DAC技术规模化应用奠定基础。

　　2）研发能够快速装载和卸载吸附剂的DAC相关设备，提出适用于DAC工艺的过程强化技术，并开发基于不同吸附剂的高效工艺，对工艺系统进行整合和优化，并构建出成本低廉、装置简易的DAC工艺系统。

　　3）结合生命周期评价等手段，开展不同时间和空间尺度范围DAC工艺与可再生能源系统耦合的技术经济性评价和碳减排潜力分析，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《空气中直接捕集CO2技术研究进展》为题在《洁净煤技术》进行了网络首发。

　　引用格式

　　张杰,郭伟,张博,等.空气中直接捕集CO_(2)技术研究进展[J/OL].洁净煤技术:1-13[2021-02-22].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3676.TD.20210122.1723.008.html.

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