专栏名称: Carbon Research

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Carbon Capture Science and Technology | 碳捕获科学与技术全景综述

Carbon Research · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-11-01 00:00

正文

碳捕获科学与技术全景综述

A comprehensive review of carbon capture science and technologies

来源

索引

Wu, C., Huang, Q., Xu, Z., Sipra, A. T., Gao, N., de Souza Vandenberghe, L. P., ... & Zhou, H. (2024). A comprehensive review of carbon capture science and technologies. Carbon Capture Science & Technology, 11, 100178.

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文章摘要

近日英国贝尔法斯特女王大学化学与化学工程学院研究指出，二氧化碳作为主要的人为温室气体之一，对全球变暖有着重大影响。在过去半个世纪，二氧化碳浓度从约310 ppm急剧增长至超过415 ppm，主要归因于化石燃料的大规模使用和各种化工炼制过程。全球已投入大量努力开发新技术以减少二氧化碳排放，许多国家通过了《巴黎气候协定》，并在COP21大会上达成目标——到2100年将全球平均温度升高控制在2.0°C以内。为实现这一目标，能源与工业相关的二氧化碳排放必须在2030年后急剧减少，并于2050至2060年间达到净零排放。碳捕获技术在实现零或负二氧化碳排放中扮演关键角色，其主要包括燃烧前、燃烧后和富氧燃烧三大类。燃烧后碳捕获是目前最为成熟的技术，通过胺类溶剂捕获燃烧后产生的二氧化碳。此外，直接从空气中捕获二氧化碳（DAC）也被认为有助于实现气候目标，但研究表明该过程在2100年可能消耗全球四分之一的能源供应。鉴于未来直接使用碳基燃料不可避免，燃烧后碳捕获、富氧燃烧和空气捕获技术成为减排和减缓气候变化的关键手段。虽然已有众多关于碳捕获技术发展的综述性论文，但仍需更全面的回顾以推动科研发展。因此，本次研究全面描述和分析了碳捕获技术，包括用于捕获不同来源二氧化碳的固体和液体基吸附剂（如烟道气、生物气、合成气和空气）。研究涵盖了多种液体溶剂（如胺类、离子液体、氨）和不同温度下的固体吸附剂（如碳、沼气炭、沸石、共价有机框架（COFs）及气凝胶等），以及氧燃烧、化学环燃烧、低温冷凝、膜分离等多种碳捕获技术。此外，研究还对二氧化碳捕获的过程模拟（如Aspen、CFD及机器学习）进行了深入分析，并对典型大型碳捕获装置的技术经济进行了评估。

要点图例

Figure 1 Synthesis of oxidation-stable PEI functionalised CO₂ adsorbent

Figure 2 Synthesis of SO₂ -resistant CO₂ adsorbent. Tertiary-amine-rich layer plays a role of protection for CO₂ capture by beneath PEI layer

Figure 3 Controversy of DAC development

Figure 4 (a) Cr-MIL-101-SO₃ H topology and illustration of electrostatic interaction between sulfonate groups and ammonium groups ( Li et al., 2016b ); (b) a scheme

to introduce amino groups on the U67 MOF ( Yoo and Jhung, 2022 ); (c) illustration of the UIO-66 (Zr) crystalline structure, including: octahedral cages, tetrahedral

cages and functionalized ligands, calculated low-coverage adsorption enthalpies of pure CO₃ and CH₄ gases in the non-modiﬁed UIO-66 (Zr) and its functionalized

derivatives at 303 K ( Yang et al., 2011 )

Figure 5 (a) isoreticular transformation of bcu-type MOF by symmetry-upgrading inorganic clusters ( Jiang et al., 2018 ); (b) the structure of NENU-520 obtained

by Pore size design ( Bao et al., 2015 ); (c) synthesis of the SUMOFs, non-interpenetrated models and crystal structures of the doubly interpenetrated frameworks (

Yao et al., 2012 )

Figure 6 Diﬀerent design conﬁgurations for OTM modules for large-scale oxygen production. Reprinted with permission from (Kiebach et al., 2022 )

文章结论

本研究对碳捕获技术的发展前景进行了深入探讨，提出了实现全球净零二氧化碳排放的可能性。燃烧后碳捕获作为最成熟且广泛应用的技术，具备现有电厂无需大规模改造即可实施的可行性。吸收法、吸附法和膜分离是主要的燃烧后碳捕获手段，其中超过60%的技术采用吸收法，特别是以MEA为代表的化学吸收法，因其适用于处理大气量且操作简便，在工业应用中前景广阔。然而，现有碳捕获技术面临高成本等重大挑战，阻碍了其商业化发展。针对碳酸盐吸附剂，如K₂CO₃和Na₂CO₃，研究人员指出，应通过合理设计吸附剂提高其性能，例如加载于多孔支撑材料上，以改善材质特性和加速二氧化碳吸附。尽管已有广泛研究，但含硫、氯等杂质对碱金属吸附剂捕碳性能的影响仍需系统研究，以评估其实际应用中的耐久性和再生效率。除了液体吸附剂，固体吸附剂正成为大规模碳捕获的潜力候选，包括低、中、高温固体吸附剂。CaO在高温下具有很高的二氧化碳吸附能力，但其在捕碳过程中易失活，MgO作为中温吸附剂则面临反应速率较慢的问题。膜分离技术因其占地小、能耗低等优势也显示出应用潜力，但高渗透率膜的设计仍是高效碳捕获的关键挑战之一。研究还评估了氧燃烧技术、化学环过程等其他碳捕获手段，并对技术经济进行了深入分析。国际能源署预测，到2030年，包括直接空气捕获（DAC）在内的碳捕获成本将降至每吨100美元以下。因此，未来应全面探索所有碳去除技术，如新型反应系统及过程强化等，以实现特定的气候目标。研究人员强调，大规模验证和建模准确性是碳捕获技术发展的重要环节，同时需进一步考虑诸如吸附焓等广泛的过程条件，以提高燃烧后碳捕获建模的精确性。这些努力将为实现全球碳减排目标铺平道路。