综述：二氧化碳分离技术：为绿化环境提供清洁能源解决方案

《Sustainable Chemistry for Climate Action》：CO 2 Separation Technologies: Clean Energy Solutions for Greening Environment

本文系统综述了五种CO?分离技术（膜分离、吸附、吸收、低温蒸馏、化学 looping燃烧），分析其技术特性、成本效益及规模化应用潜力。研究表明，膜分离技术（TRL6-7）和化学 looping燃烧（TRL5-6）在工业应用中具有较高可行性，而吸附技术需解决溶剂再生能耗问题。各技术CO?回收率可达60-99.99%，但存在能耗高（0.5-9.2 GJ/tCO?）、成本贵（15-100美元/tCO?）等挑战。提出需通过混合膜材料、优化反应条件及系统集成提升技术经济性。

　　
随着全球工业化和人口增长，化石燃料消耗持续攀升，导致二氧化碳（CO?）排放激增，已成为全球变暖的核心驱动因素。根据研究数据，电力行业贡献了约33%-40%的全球CO?排放，其中燃煤电厂因排放浓度高、污染成分复杂，成为碳捕集技术研发的重点对象。本文系统梳理了CO?分离技术（CST）的发展现状、技术路径及产业化瓶颈，为后续研究提供理论参考。

### 一、技术发展背景与核心挑战
全球大气CO?浓度从1960年的310ppm升至2010年的390ppm，年均增速达1.5ppm。燃煤电厂排放的CO?浓度普遍在10%-15%之间，但含有高浓度硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）及微量水蒸气等杂质，导致传统吸收技术（如胺法）存在溶剂腐蚀、再生能耗高等问题。此外，低温吸附（如PSA循环）需在30℃以下操作，而高温燃煤烟气（通常超过300℃）需预处理降温，显著增加系统能耗。这些矛盾推动研究者开发新型技术组合，如化学 looping 燃烧（CLC）与低温吸附联用。

### 二、主流技术路径分析
#### （一）吸收技术：成熟但高能耗
以MEA（甲乙二胺）为代表的吸收剂在工业中应用广泛，其CO?吸收率可达90%以上。但再生过程需加热至120℃以上，能耗占系统总能耗的30%-50%。最新研究显示，通过离子液体改性的MDEA（N-甲基二乙胺）溶液，在328K、210kPa条件下CO?负载量提升7.3%，且抗SOx腐蚀能力增强。经济性评估表明，30%浓度MEA溶液在3240t/h规模下，热力学效率提升52%，但溶剂年损失率达8%-12%，需定期补加。

#### （二）吸附技术：动态平衡的博弈
多孔吸附剂（如活性炭、金属有机框架MOFs）在常温下对CO?有较高选择性，但再生周期长、吸附容量受限。研究显示，玉米秸秆衍生吸附剂MCW(PA)3在4bar压力下CO?吸附容量达89.97mg/g，较传统活性炭提升18%。真空 swing 吸附（VSA）通过降低操作压力至0.1bar，使再生能耗减少40%，但设备投资成本增加25%。特别值得注意的是，低温 swing 吸附（LTSAs）在25-35℃区间表现出色，但需配套气体预处理系统，整体能效比PSA低15%-20%。

#### （三）膜分离技术：效率与成本的平衡
1. **有机膜**：聚酰亚胺膜在373K时CO?/N?选择性达14.7-29.1，渗透率1.2-85.1GPU（GPU为膜分离常用单位）。新型BILP-x聚合物膜通过界面聚合技术，实现氢气/CO?分离选择性提升至12.3，但长期运行稳定性仍需验证。
2. **无机膜**：W-SSZ-13沸石膜经W掺杂后，CO?/N?选择性从8.8提升至16.9，渗透率1.3×10??mol/(m2·s·Pa)。碳基复合膜通过氧官能化处理，CO?渗透率提升4.7倍，但膜材料脆性增加。
3. **混合膜**：PVAm-PPOC ternary复合膜在1.5bar下CO?渗透率达1546GPU，选择性33，但界面相容性问题导致长期运行衰减率增加至5%/年。

#### （四）化学 looping 燃烧（CLC）：革新性路径
CLC通过固体氧载体（如NiO/Al?O?）实现燃料与氧化剂物理分离。实验表明，在煤基燃料中，CLC可将CO?捕获效率提升至95%以上，且无需溶剂再生。最新研究显示，铜基载体在天然气燃料中实现99%的CO?分离，但载体循环寿命仅800小时，需开发新型纳米掺杂材料（如CuO@ZrO?）延长使用寿命。

#### （五）低温蒸馏技术：高能耗的优化尝试
基于BOCS（BOundary Of Criticality Scaling）理论，低温蒸馏需维持-50℃以下工况。某中试项目显示，采用四级膨胀压缩循环，CO?回收率达96%，但系统能耗达5.2GJ/tCO?，主要消耗在压缩机（占总能耗60%）和冷凝器（占30%）。

### 三、技术经济性对比
| 技术类型 | 能耗(GJ/tCO?) | 捕获成本(USD/t) | TRL等级 | 规模适应性 |
|----------------|---------------|------------------|---------|------------------|
| 化学吸收 | 2.3-9.2 | 40-100 | 9 | 小型/中型 |
| 低温吸附 | 4.0-6.5 | 50-150 | 5-7 | 中型/大型 |
| 膜分离 | 0.5-6.0 | 15-55 | 3-7 | 小型/微型 |
| 化学 looping | 0.3-0.8 | 59.2-80 | 5-6 | 中型/大型 |
| 低温蒸馏 | 5.2-11.1 | 55-130 | 3-4 | 大型 |

注：数据来源于2020-2023年最新研究文献，单位按国际标准转换

### 四、产业化瓶颈与突破方向
1. **系统集成难题**：现有技术多在实验室或中试阶段（TRL3-7），缺乏全流程集成验证。某示范项目显示，膜组件与吸附循环的协同效率比独立运行低18%。
2. **载体稳定性**：氧载体在500℃以上易烧结，导致活性位点损失。最新纳米结构载体（如NiO/CeO?@SiO?）通过晶界工程将循环寿命延长至2000小时以上。
3. **经济性临界点**：研究显示，当CO?价格超过60美元/吨时，膜分离技术（成本45-55美元/吨）和CLC（成本59.2美元/吨）具有商业竞争力，但需结合碳交易机制。
4. **规模化悖论**：吸附剂再生频率与规模成反比，100MW电厂吸附系统年维护成本达200万美元，而膜分离的规模化临界点在5000t/d级别。

### 五、未来技术路线展望
1. **多技术耦合**：CLC+低温吸附（效率提升至92%）、膜分离+化学吸收（成本降低30%）
2. **新型材料开发**：基于MOFs的金属有机框架（如ZIF-8）改性吸附剂，CO?吸附容量达150mg/g；仿生膜材料（如层状脂质）选择性突破300
3. **数字化运维**：采用数字孪生技术实时优化吸附剂再生周期（误差<5%），预计降低运维成本15%
4. **碳利用闭环**：CO?转化为合成气（CO+H?）或聚碳酸酯，某试点项目显示燃料电池耦合系统效率达65%

### 六、环境效益评估
1. **减排效果**：全生命周期分析显示，膜分离技术可减少CO?逃逸率至0.3%，较传统吸收技术降低60%
2. **能效改进**：采用余热回收系统（如燃烧废热预热吸附床），整体能耗可降低25%-40%
3. **二次污染**：胺法吸收需处理含Cl?、H?S等废液，采用离子液体替代可减少80%危废产生量

该研究为碳中和目标下的技术选择提供了决策依据：短期（5年内）重点突破膜分离中试（TRL7）和CLC工程验证（TRL6）；中期（10-15年）发展多技术耦合系统，实现成本低于50美元/吨CO?；长期需攻克载体材料瓶颈，使化学 looping 燃烧达到TRL9水平。建议优先在天然气发电厂（CO?浓度12%-15%）和钢铁联合企业（CO?浓度25%-30%）开展示范工程。