減碳不僅是國(guó)家政策規(guī)劃承諾的問題，也是關(guān)系到我們?nèi)祟愘囈陨娴沫h(huán)境問題。IPCC（政府間氣候變化專門委員會(huì)）關(guān)于全球變暖1.5℃的特別報(bào)告指出，CCUS（碳捕集利用與封存）技術(shù)可以有效改善全球氣候變化，并明確指出CCUS技術(shù)對(duì)于在2050年實(shí)現(xiàn)零碳排放具有重要意義。

根據(jù)2015的巴黎氣候大會(huì)披露的減碳圖表，可以看出CCUS技術(shù)主要是在2030年之后全球?qū)⒅饾u發(fā)力于二氧化碳的移除，而這與中國(guó)2030碳達(dá)峰的目標(biāo)不謀而合。

碳減排首先第一步是將二氧化碳捕集，后續(xù)可將捕集的二氧化碳直接封存也就是CCS，或是把二氧化碳能源化或資源化也就是CCU。在這些步驟中，二氧化碳捕獲是最關(guān)鍵的技術(shù)，因?yàn)樗颊麄€(gè)CCS運(yùn)營(yíng)成本的70%以上。CO2捕集的方法可按照對(duì)燃料、氧化劑和燃燒產(chǎn)物采用的措施，可以分為燃燒前捕集、純氧燃燒和燃燒后捕集3大類，如下圖所示。

燃燒前捕集是相對(duì)成本較低、效率較高的一種方法。此方法將化石燃料氣化成合成氣(主要成分為H2和CO)，然后通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)化為CO2，再通過溶劑吸收等方法將H2和CO2分離開對(duì)CO2進(jìn)行收集。但此技術(shù)局限于基于煤氣化聯(lián)合發(fā)電裝置(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)，因此以此技術(shù)投產(chǎn)的項(xiàng)目較少，燃燒前捕集CO2的成本大約為20美元/t CO2，尚需要更多的項(xiàng)目來進(jìn)行驗(yàn)證。

富氧燃燒技術(shù)采用純氧或者富氧將化石燃料進(jìn)行燃燒，燃燒后的主要產(chǎn)物為CO2、水和一些惰性組分。水蒸氣冷凝后，通過低溫閃蒸提純CO2，提純后的CO2濃度可達(dá)80%～98 vol%，提高了CO2捕集率。

由于燃燒前捕集和富氧燃燒需要合適的材料和操作環(huán)境來滿足高溫要求，因此這兩種技術(shù)的研究與開發(fā)和示范性項(xiàng)目較少。相比較而言，燃燒后捕集技術(shù)是當(dāng)前煉廠應(yīng)用較為廣泛且成熟的技術(shù)，該技術(shù)具有較高的選擇性和捕集率。常用的方法如化學(xué)吸收法、膜分離法、物理吸附法等?；瘜W(xué)吸附法被認(rèn)為是當(dāng)前最有市場(chǎng)前景的吸附方法，在化學(xué)吸附中，胺類溶液以其吸收效果好的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但是目前核心技術(shù)被國(guó)外壟斷。以當(dāng)前的技術(shù)，燃燒后捕集CO2的成本大約是40美元/t CO2。物理吸附主要是用固體吸附劑來實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的捕集，如CaO/MgO基吸附劑，biochar，MOF等，目前處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

最近，使用固體吸附劑的二氧化碳捕集技術(shù)吸引了極大的關(guān)注，因?yàn)樗梢栽趶V泛的溫度窗口（從環(huán)境溫度到700℃）下運(yùn)行。此外，廢棄的固體吸附劑可以以較少的環(huán)境預(yù)防措施進(jìn)行處理。根據(jù)反應(yīng)溫度的范圍，固體二氧化碳吸附劑可以分為三種類型：低溫（<200℃），中溫（200-400℃），以及高溫（>400℃）吸附劑。高溫CaO基材料在很大程度上被應(yīng)用于二氧化碳捕集，因?yàn)樗c二氧化碳的反應(yīng)性很高（CaO的理論捕集能力為17.8 mmol g-1）。最近的研究表明，使用氧化鈣基吸附劑進(jìn)行碳捕集的成本為每噸二氧化碳16-44美元，這比目前每噸二氧化碳約32-80美元的胺類洗滌技術(shù)非常有競(jìng)爭(zhēng)力。

高溫CaO基材料進(jìn)行二氧化碳捕集的核心機(jī)理：CaO在600-800℃的溫度范圍內(nèi)與CO2反應(yīng)，并在高于800℃的溫度下再生。與CO2發(fā)生的碳化和煅燒反應(yīng)如下圖所示。

生物炭（biochar）是一種生態(tài)友好型吸附劑，由天然生物質(zhì)或農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)。由于生物質(zhì)的廣泛使用，生物炭比其他二氧化碳吸附劑便宜近10倍。原始生物炭對(duì)二氧化碳表現(xiàn)出較低的吸附能力，但在許多研究中，改性生物炭顯示出對(duì)二氧化碳的吸附能力增強(qiáng)。有幾種改性方法已被測(cè)試和應(yīng)用，并取得了不同程度的成功。

生物炭的二氧化碳吸附能力，即每單位重量的生物炭所吸附的二氧化碳量，主要取決于生物炭的理化性質(zhì)，如表面積、孔徑、孔體積、生物炭表面的堿性、表面功能團(tuán)的存在、堿金屬和堿土金屬的存在、疏水性、極性和芳香性等。

許多研究表明，引入堿性氮功能團(tuán)會(huì)增強(qiáng)生物炭上的堿性位點(diǎn)，增加對(duì)酸性CO2的吸收。生物炭的胺處理很重要，因?yàn)樗黾恿撕倌軋F(tuán)的數(shù)量和堿性，從而提高了對(duì)二氧化碳的整體吸附量。

生物炭基吸附劑在二氧化碳去除方面的實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用目前主要受三點(diǎn)阻礙：首先，盡管高吸附能力和長(zhǎng)期循環(huán)運(yùn)行對(duì)確保該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性至關(guān)重要，但生物炭基吸附劑的穩(wěn)健性和穩(wěn)定性還沒有得到充分證明；其次，對(duì)于存在多種氣體介質(zhì)的情況，重要的是要知道除CO2以外的氣體是否會(huì)影響CO2的吸附能力（即競(jìng)爭(zhēng)性吸附），以及生物炭如何影響這些其他氣體的濃度。例如，二氧化碳的吸附能力可能會(huì)被最初吸附在碳上的H2O所降低；最后，和CaO基固體吸附劑一樣，經(jīng)過多次吸附再生循環(huán)后二氧化碳吸附能力下降。而循環(huán)吸附后二氧化碳捕獲能力的大量損失可能會(huì)增加再生的成本，并限制生物炭作為碳封存材料的使用。

目前，在歐美國(guó)家，生物炭被廣泛用作動(dòng)物健康的飼料添加劑，如凈化空氣和水。它在當(dāng)?shù)乩脷堄嗖牧仙a(chǎn)，可限制運(yùn)輸費(fèi)用和排放，并在改進(jìn)最終產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)取代稀少的資源。生物炭的廣泛應(yīng)用使大規(guī)模負(fù)排放成為可能?？杀皇澜绺鞯爻汕先f的農(nóng)民，公共服務(wù)機(jī)構(gòu)，建筑材料供應(yīng)商所應(yīng)用。生物炭是一個(gè)分散的行業(yè)，有各種各樣的制造商，其中大多數(shù)是小型私營(yíng)公司。前五大生產(chǎn)商僅占市場(chǎng)的38.34％。生物炭生產(chǎn)商績(jī)效的一個(gè)關(guān)鍵變量是原材料成本，而木材現(xiàn)在是生物炭的主要原料，但其價(jià)格將高于其他衍生產(chǎn)品。生物炭消耗面積最大的是土壤改良劑，占2017年美國(guó)生物炭消費(fèi)量的82.94％。2017年生物炭市場(chǎng)規(guī)模為30052.10噸，預(yù)測(cè)到2023年有望達(dá)到135524.38噸，2017年至2023年的增長(zhǎng)率為24.01％。

工業(yè)是現(xiàn)代社會(huì)的基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的源泉，在帶來了經(jīng)濟(jì)效益和工作機(jī)會(huì)的同時(shí)，也帶來了許多問題。工業(yè)消耗了全球1/3的能源，也產(chǎn)生了全球1/3的溫室氣體。在實(shí)現(xiàn)近零排放目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)全球溫控1.5℃路線圖的進(jìn)程中，CCUS技術(shù)將起到至關(guān)重要的作用。IEA預(yù)估利用CCUS技術(shù)，從2017年到2060年可以減少280億噸的CO2排放。

下一代碳捕集技術(shù)將會(huì)在材料的創(chuàng)新、工藝或設(shè)備的改進(jìn)上取得突破，這些新進(jìn)展將使得投資運(yùn)營(yíng)成本降低的同時(shí)提高捕集效率。如Ion Engineering公司的非水溶液、MTR公司的膜分離體系、三菱重工的KS-21溶劑、Lind-BASF的貧富溶液吸收再生循環(huán)技術(shù)等，都已經(jīng)在FEED(Front and End Engineering Design，前端工程設(shè)計(jì))工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)踐。隨著工業(yè)的進(jìn)步，下一代捕集技術(shù)將助推CCUS技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

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參考資料：

[1]https://huanbao.bjx.com.cn/news/20210429/1150219.shtml

[2]https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2018.08.001

[3]https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109582

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