综述：生物源钙废弃物作为CO?捕获的CaO吸附剂：进展与未来展望

《Journal of Environmental Radioactivity》：Biogenic calcium waste as CaO adsorbents for CO 2 capture: Progress and future outlook

生物钙渣在钙循环中表现出优异的CO?捕获性能，但存在烧结衰减问题，通过改性如铝矾土尾矿复合可提升循环稳定性，生命周期分析证实其环境效益， techno-economic模型显示成本低于传统方法，动力学研究为优化提供依据。

　　本文探讨了生物钙废弃物作为可持续碳酸钙（CaCO?）来源的最新进展与应用，重点在于通过钙循环系统（Calcium Looping, CaL）实现二氧化碳（CO?）的高效捕集。同时，文章还分析了生物源CaO吸附剂在实际应用中的性能挑战，并提出了改进措施。以下将从多个角度对文章内容进行详细解读。

### 一、全球气候变化与碳排放现状

全球气候变化已成为当今世界面临的最紧迫的环境问题之一。随着人类活动的增加，温室气体（Greenhouse Gases, GHG）的排放量迅速上升，尤其是二氧化碳（CO?），其占全球温室气体排放总量的约76%。CO?的累积效应导致地球的平均气温不断升高，据研究显示，自2019年至2023年，碳排放量以每年约0.8%的速度增长。如果不加以控制，根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的预测，全球平均气温的上升幅度将在2040年代初超过2°C的限制目标。这种升温趋势对生态系统、农业生产、水资源管理以及人类健康都带来了巨大的威胁。

当前，化石燃料仍然是全球主要的能源来源，约占2021年全球能源结构的82%。尽管可再生能源技术正在快速发展，但化石燃料因其储量丰富和成本低廉，仍被广泛使用。然而，化石燃料的燃烧不仅加剧了温室气体的排放，还导致了严重的环境问题。如果不采取有效的减排措施，预计到2100年，全球气温可能上升超过9°C，这将对地球生态系统造成不可逆转的破坏。

### 二、二氧化碳捕集技术及其挑战

在应对气候变化的众多技术中，二氧化碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）被认为是减少温室气体排放的重要手段之一。CCS技术主要包括三个步骤：二氧化碳捕集、运输和封存。其中，捕集环节是最关键且最具挑战性的部分，通常占整个CCS成本的60%-70%。因此，提高捕集效率和降低成本成为当前研究的重点。

目前，常见的二氧化碳捕集方法包括吸收法、吸附法和膜分离法。吸收法是应用最广泛的捕集技术，其原理是通过化学反应将CO?从烟气中分离出来。传统吸收法使用液态胺（如单乙醇胺MEA和二乙醇胺DEA）作为吸收剂，这些胺能够与CO?发生化学反应，形成稳定的化合物，从而实现高效捕集。然而，吸收法存在诸多问题，如胺的再生过程需要大量能量，胺的高腐蚀性导致设备成本上升，以及吸收剂在使用过程中可能产生有害副产物（如亚硝胺和硝胺），对环境和人体健康构成威胁。

相比之下，吸附法因其低能耗、广泛的温度和压力适用范围以及易于再生而不产生有害副产物而受到越来越多的关注。吸附法利用多孔材料（如活性炭、沸石、金属有机框架MOFs、微孔有机聚合物MOPs、胺改性颗粒和CaO基吸附剂）与CO?之间的物理相互作用进行捕集。其中，CaO基吸附剂因其成本低廉、无毒性和高捕集能力而展现出广阔的应用前景。

### 三、传统碳酸钙来源的局限性

长期以来，石灰石（CaCO?）和白云石（CaMg(CO?)?）是CaO基吸附剂的主要来源。这些天然矿物具有较高的钙含量，但其开采和加工过程对环境造成了显著影响。首先，石灰石和白云石的开采需要大量能源，且容易导致土地退化和生态破坏。其次，这些非可再生资源的开采和加工过程本身就会产生大量的二氧化碳排放，据估计，石灰石开采和加工占全球二氧化碳排放量的约8%。此外，石灰石基吸附剂在多次循环使用后，其捕集能力会显著下降，这限制了其在工业规模二氧化碳捕集中的应用。

### 四、生物源钙废弃物的潜力

为了克服传统碳酸钙来源的局限性，近年来研究人员将目光转向了生物源钙废弃物，如蛋壳、牡蛎壳、贻贝壳和蛤蜊壳（Mactra veneriformis）。这些废弃物通常被视为无价值的副产物，被大量丢弃在垃圾填埋场，造成环境污染和资源浪费。然而，它们实际上具有丰富的钙资源，且其生物矿化特性能够显著提升CO?捕集性能。

研究表明，蛋壳和蛤蜊壳在初始碳化过程中能够实现高达86%的CO?捕集率，远高于传统石灰石的21%。这一优异的性能主要归因于其独特的微观结构和晶体形态。生物源钙废弃物通常具有较高的比表面积和孔隙率，这有助于提高CO?的扩散速率和吸附能力。此外，这些材料的生物矿化过程使其具有更高的反应活性，能够更快地与CO?发生反应。

然而，生物源CaO吸附剂在循环使用过程中也存在显著的性能衰减问题。由于高温煅烧过程会导致材料颗粒的烧结（sintering），其结构完整性被破坏，从而降低了CO?捕集能力。因此，如何提高生物源CaO吸附剂的循环稳定性成为研究的重点。

### 五、改进生物源CaO吸附剂的策略

为了解决生物源CaO吸附剂在循环使用中的性能衰减问题，研究者提出了多种改性方法。这些方法旨在提高吸附剂的结构稳定性，延长其使用寿命，并增强其在高温度下的耐受性。常见的改性策略包括添加惰性材料、优化煅烧条件、以及对吸附剂进行表面改性等。

例如，研究发现，通过将蛋壳与赤泥（bauxite tailings）结合，可以显著提高吸附剂的循环性能。赤泥中含有约37%的Al?O?和25.48%的SiO?，这些成分能够改善吸附剂的物理结构，防止其在高温下发生烧结。实验结果显示，经过改性的蛋壳-赤泥复合吸附剂在40次循环后仍能保持55%的CO?捕集率，几乎是未改性蛋壳吸附剂的两倍。这表明，通过合理利用工业废弃物，可以有效提升生物源CaO吸附剂的性能。

此外，研究还发现，通过控制煅烧温度和时间，可以优化吸附剂的孔隙结构，从而提高其在碳化过程中的反应效率。例如，适当的煅烧条件可以促进CaO颗粒的均匀分布，减少颗粒间的聚集，从而增强其吸附能力。同时，添加少量的金属氧化物（如Al?O?和SiO?）可以改善吸附剂的热稳定性，使其在多次循环中保持较高的捕集效率。

### 六、生物源CaO吸附剂的经济与环境效益

除了性能提升，生物源CaO吸附剂还具有显著的经济和环境优势。首先，它们来源于废弃物，因此成本较低，相较于传统石灰石基吸附剂，其生产成本可以降低数倍。其次，利用生物源废弃物进行CO?捕集能够有效减少垃圾填埋带来的环境负担，实现资源的循环利用，促进可持续发展。

从环境角度来看，生物源CaO吸附剂的使用可以显著减少碳排放。传统石灰石的开采和加工过程本身就会产生大量CO?，而生物源废弃物的再利用能够避免这一问题。此外，生物源吸附剂在碳化过程中能够将CO?转化为稳定的碳酸钙，从而实现碳的长期封存。这种过程不仅减少了大气中的CO?浓度，还为工业碳捕集提供了一种可行的解决方案。

从经济角度来看，生物源CaO吸附剂的生产成本远低于传统方法。例如，研究显示，使用生物源废弃物作为CaO来源的CO?捕集成本可以降低至每吨50-60美元，而传统吸收法的成本则高达每吨数百美元。这使得生物源吸附剂在经济上更具竞争力，尤其是在需要大规模应用的工业领域。

### 七、钙循环技术的前景与挑战

钙循环技术（Calcium Looping, CaL）作为一种高温度下的CO?捕集方法，近年来受到越来越多的关注。与传统的吸收法相比，CaL技术具有更高的捕集效率和更低的能耗。其原理是通过CaO与CO?的反应生成CaCO?，然后通过高温煅烧将CaCO?重新转化为CaO，从而实现吸附剂的循环使用。

然而，CaL技术在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，CaO基吸附剂在多次循环使用后会出现明显的性能衰减，尤其是在高温条件下，烧结问题尤为突出。其次，CaL技术的经济可行性仍需进一步验证，尤其是在大规模工业应用中，其成本效益尚未达到理想水平。此外，CaL技术的优化还需要进一步研究，包括吸附剂的制备方法、反应条件的控制以及循环过程的稳定性。

### 八、未来发展方向与建议

为了推动生物源CaO吸附剂在工业规模CO?捕集中的应用，本文提出了以下建议：

1. **深入研究生物源钙废弃物的特性**：不同类型的生物源钙废弃物（如蛋壳、牡蛎壳、贻贝壳等）在微观结构和化学组成上存在差异，这些差异直接影响其CO?捕集性能。因此，需要对各种生物源材料进行系统研究，以确定其最佳应用条件。

2. **开发高效的改性技术**：通过添加惰性材料、优化煅烧条件和进行表面改性，可以有效提高生物源CaO吸附剂的循环稳定性。未来的研究应重点探索这些改性技术的机理，并尝试将其应用于大规模生产。

3. **完善经济与环境评估体系**：尽管生物源CaO吸附剂在成本和环境效益方面具有优势，但其在实际应用中的经济可行性仍需进一步验证。因此，需要建立完善的经济与环境评估模型，以全面评估其在不同应用场景下的优势和局限性。

4. **推动标准化和规模化生产**：目前，生物源CaO吸附剂的研究仍处于实验室阶段，其标准化和规模化生产仍面临技术挑战。未来应加强与工业界的合作，推动其在实际应用中的推广。

5. **加强政策支持与公众认知**：生物源CaO吸附剂的推广不仅需要技术突破，还需要政策支持和公众认知的提升。政府应出台相关政策，鼓励企业采用这种新型吸附剂，并提供相应的资金支持。同时，应加强公众教育，提高社会对生物源材料在CO?捕集中的认知和接受度。

### 九、结论

本文综述了生物源钙废弃物作为可持续CaCO?来源的最新进展，并分析了其在钙循环系统中的应用潜力。研究表明，生物源CaO吸附剂在初始碳化过程中表现出优异的CO?捕集性能，但其循环稳定性仍需进一步改进。通过合理的改性技术和优化工艺条件，可以有效提升其性能，并实现经济和环境的双重效益。

未来，随着合成技术和改性方法的不断进步，生物源CaO吸附剂有望成为CO?捕集领域的重要替代品。然而，要实现其在工业规模上的广泛应用，仍需克服一系列技术、经济和政策障碍。因此，进一步的研究和合作将是推动这一技术发展的关键。