赵业卓，郭忠森，林 壮，谢 磊，杨晓航

（1.诺和诺德（上海）制药有限公司，上海200040；2.盘锦浩业化工有限公司，辽宁盘锦124124；3.山东一诺威新材料有限公司，山东淄博255400）

根据联合国环境署统计，2020 年中国温室气体排放已超110×108t，总量位居世界第一。为有效降低温室气体排放造成的气候环境影响，实现《巴黎协定》中控制全球温升1.5 ℃的气候共识，中国政府做出CO2排放量在2030 年达到峰值，到2060 年实现净零排放的承诺。相继出台了《国务院关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》、《石化化工重点行业严格能效约束推动节能降碳行动方案2021-2025 年》、《关于加强高耗能、高排放建设项目生态环境源头防控的指导意见》、《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》等政策文件来有效调控产业结构，力争从源头上降低CO2等温室气体的排放。

孟宪玲［1］参考美国石油学会“油气行业温室气体排放计算方法学纲要”对炼油厂CO2排放情况进行估算，其研究表明不同规模炼油厂CO2排放系数介于0.28～0.32 tCO2/t原油之间，且直接碳排放占总碳排放的85%。2019 年，中国的炼油总能力为8.61×108t/a，开工率为75.7%［2］，仅石油炼制行业直接CO2排放量就高达（1.6～1.8）×108t/a。

董金池等［3］参考国家能源技术模型对中国钢铁行业碳排放情况进行分析，研究表明中国2030年钢铁行业碳排放量介于（9.68～12.4）×108t/a，其中减排潜力介于（2.2～4.9）×108t/a。因此，针对传统工业企业的碳减排改造成为实现“碳中和”目标的必由之路。

文中介绍了膜分离技术、吸附分离技术、吸收分离技术等不同CO2分离捕集技术，阐述不同技术的研究现状及发展方向，为科研工作者开发CO2捕集分离技术，传统企业碳捕集减排改造提供参考。

1 膜分离捕集CO2技术

膜分离技术是基于不同气体组分通过膜渗透速率的差异，实现混合气体中不同组分的有效分离。相较于H2、N2、CH4、CO、O2等气体分子，CO2分子具有分子量大、扩散系数小等特点；同时CO2分子极性较强、沸点和溶解度系数较大，渗透分离系数较好，易于通过膜技术有效分离。膜分离技术具有占地小、环境友好等优点，广泛应用于天然气脱除CO2提纯、沼气脱除CO2提纯等领域［3～6］。

郭明钢等［5］以某油田脱烃采出气为研究对象，利用Aspen HYSYS 软件模拟压缩冷凝耦合膜分离工艺回收CO2和轻烃组分，实现CO2组分回收率达81.56%、轻烃组分回收率达97.1%。

阮雪华等［6］采用UniSim Design 软件建立了中空纤维膜的离散数值计算模型，考察3种聚酰亚胺膜分离系统在厌氧生物发酵气分离提纯中的应用，研究表明：处理1 000 m3/h 发酵生物气（含50%CO2）工况下，1级2段提纯系统是最优方案，投资380万元、甲烷回收率95%、效益为250万元/a。

相较于在轻烃提纯中的广泛应用，膜分离捕集CO2技术在烟气处理方面存在较大瓶颈，烟气中颗粒物、SO2、H2O 等气态杂质的存在会显著恶化膜的分离性能，并进一步缩短膜器使用寿命［7］。因此，通过功能化改性等方法提高CO2分离膜性能，系统探讨操作条件、共存气体组分、颗粒物等因素的影响成为开发膜分离捕集烟气CO2技术的关键。

2 吸附分离捕集CO2技术

2.1 吸附反应捕集CO2技术

吸附反应捕集CO2技术是当前主流的烟气处理技术之一，代表性的吸附剂为CaO、MgO、Li4SiO4等［8～10］。以CaO 为例，其原理在于通过CaO 与CO2反应生成CaCO3来捕集烟道气中的CO2，CaCO3经高温热解实现吸附剂的有效再生。因此，通过降低吸附剂的热解温度能够有效降低再生能耗。

师琦等［10］以纳米钙剂CO2吸附剂为研究对象，采用TGA 技术测定吸附剂在500～650 ℃范围内，CO2分压0.015～0.025 MPa 氮气气氛中的吸附反应动力学，研究表明，不同气氛下吸附剂的分解速率与转化率差别明显，且均随CO2分压增大而减小。

2.2 空气吸附捕集CO2技术

空气中捕集CO2能够不受地域和时间限制，并有效捕集低浓度CO2，是处理交通运输产生碳排放的重要手段［11～13］。该技术开发难点在于解决吸附剂存在的选择性差、吸附容量低、吸附剂价格昂贵等问题。目前，主要通过调整孔径及活性位点分布等手段来提高吸附剂的饱和吸附容量；通过负载胺类化合物等提高吸附剂与CO2的作用能力。

吴禹松［11］采用相转化法制备了以多孔树脂为活性物质的异相离子交换树脂吸附剂D209，并在实验室10 kg/d 的大气捕集系统中进行中试实验，结果表明D209吸附剂能够产生10.2 kg CO2/d。

朱炫灿等［12］制备了1种胺功能化、有机溶剂处理的MgxAl-Co3层状双金属氢氧化物纳米片吸附剂，在温度为20 ℃、CO2浓度为0.04%的条件下具备1.05 mmol/g的CO2吸附量。

3 溶剂吸收分离捕集CO2技术

溶剂吸收分离捕集CO2技术是燃煤电厂碳减排改造的主流技术。根据吸收溶剂的不同，划分为有机胺溶剂、离子液体溶剂、低共熔溶剂等。

3.1 有机胺溶剂

有机胺溶剂吸收CO2是基于酸碱作用形成不稳定盐，不稳定盐在一定条件下逆向解析出CO2的原理。单一的有机胺溶液存在吸收—解吸速率低、CO2负载量小、腐蚀设备等缺点。因此，当前针对有机胺溶剂的开发主要集中于复配研究。复配研究主要集中于“醇—胺”溶剂复配，醇基的存在能够有效降低胺液的饱和蒸汽压，确保解吸出的CO2不被溶剂污染；醇基的存在还能够有效调节胺液的碱性，降低溶剂对设备的腐蚀，醇胺复配溶剂仍面临再生能耗高的问题［14～16］。针对该问题，科研工作者以现有有机胺溶剂为基础，从反应热、显热、汽化潜热3方面分析，通过反应动力学研究，筛选出亲脂性胺、3 级胺、离子液体、醇类、醚类等具备相变能力、又有良好吸收性能的复配溶剂［15］。

张艺峰［17］以DETA/PMDETA/环丁砜混合溶液为相变吸附剂进行CO2捕集实验，确定最佳配比为1.2 mol/L DETA/1.8 mol/L PMDETA/3 mol/L 环丁砜混合溶液；进一步以1 mol/L MEA 作为0.25 mol/mol的CO2贫液负载的参考标准，通过热力学模型计算，结果表明，1.2 mol/L DETA/1.8 mol/L PMDETA/3 mol/L 环丁砜混合溶液较传统MEA 工艺再生热显著降低35.6%。

3.2 离子液体溶剂

相较于有机胺溶液，离子液体溶剂具有性质稳定、蒸气压低、吸收—再生速率快，可通过阴阳离子设计提高CO2吸收性能等优点。

郭燕［18］设计合成了新型醇胺型金属螯合离子液体，避免了传统醇胺型溶剂挥发性问题，表现出比醇胺溶剂更好的CO2吸收量，结合该液体中所含的锂阳离子和冠醚而具有在电池领域应用潜力。

张文林等［19］梳理了碱性功能化离子液体在CO2分离领域的应用情况，认为合成新型功能化双咪唑双氨基离子液体是离子液体吸收技术的研究方向，而引入溶剂改善粘性、借助微波辅助缩短反应时间是离子液体吸收技术在工业发展的要求。

3.3 低共熔溶剂

低共熔溶剂（DES）是1 种由氢键供体和氢键受体组成的以氢键链接的物理分离捕集CO2溶剂，结合其热稳定性高、饱和蒸气压低、气体溶解性好、绿色环保等优点而广受科研工作者关注。

张楠等［20］以赖氨酸和丙三醇为原料合成了低共熔溶剂，在50 ℃时实现0.582 mol CO2/mol DES，核磁共振表征结果说明DES 捕集CO2过程无新物质生成。

赵磊［21］采用一步合成法制备了4 种超强碱ILs，进一步结合乙二醇形成低共熔溶剂IL-DESs，其中最佳的吸附剂性能在40 ℃、100 kPa条件下实现最高0.141 g CO2/g DES。

毕莹莹［22］制备了20 种氨基酸基DES，并结合氨基酸本身的性质得到氨基酸对DESs 捕获CO2的影响，其研究表明分子量越小，捕获CO2能力越强，而酸性氨基酸形成的DESs捕获能力最弱。

4 结束语

国内运行的CO2捕集能力为（200～300）×108t/a，碳捕集技术具有广阔的市场应用前景。膜分离捕集CO2技术具有环境友好、占地小等优点，但在处理含硫、含颗粒物等复杂组成烟气时性能下降明显。吸附反应捕集CO2技术具有技术成熟的优点，但存在吸附剂再生能耗高、性能差等问题。物理吸附捕集空气中CO2技术具有操作简单、市场前景广阔等优点，但面临吸附剂选择性差、饱和吸附量低等问题。通过构筑碱金属吸附活性位、调控载体结构，开发新一代高性能CO2捕集膜或吸附剂成为未来重要科研方向；通过复配体系、工艺优化等手段实现能耗有效降低成为当前CO2捕集技术工业应用的发展方向。