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当前，二氧化碳（CO?）排放激增，给全球气候带来巨大挑战。研究人员开展了气凝胶在油气行业 CO?捕获应用的研究。结果表明，气凝胶凭借独特性能在该领域极具潜力，但也面临成本和机械性能等问题。这为油气行业低碳转型提供了新方向。
在当今世界，全球气候变暖形势日益严峻，二氧化碳（CO?）排放过量成为了罪魁祸首。每年约 330 - 350 亿吨的 CO?排放，如同高悬在人类头顶的达摩克利斯之剑，严重威胁着生态平衡和人类的未来。这主要是由于工业的疯狂扩张、对化石燃料的过度依赖以及森林的大量砍伐。在众多排放源中，油气行业作为全球能源供应的关键部分，其产生的 CO?排放量不容小觑。传统的 CO?捕获技术，像溶剂基单乙醇胺（MEA）洗涤法，虽然有一定效果，但却存在高能耗、腐蚀性强和操作复杂等弊端。因此，寻找更高效、更环保的碳捕获材料和技术迫在眉睫。
在此背景下，国外研究人员聚焦于气凝胶在油气行业 CO?捕获的应用展开研究。研究发现，气凝胶具有超低密度、高孔隙率和大比表面积等独特性质，在 CO?捕获方面展现出巨大潜力。这一研究成果对推动油气行业向低碳转型意义重大，相关论文发表在《Carbon Capture Science 》。
研究人员主要运用了多种关键技术方法。在材料性能评估方面，通过测定不同温度下的 CO?吸附容量、长期稳定性等指标，对比了气凝胶与其他吸附剂的性能；在气凝胶制备上，采用了溶胶 - 凝胶法、超临界干燥法等多种合成技术，并对其优缺点、可扩展性和成本效益进行分析。
下面详细介绍研究结果：
- CCS 技术及材料：油气行业的 CCS 技术多样，各有利弊。如燃烧后捕获技术可捕获现有电厂和工业源中高达 90% 的 CO?排放，但需有效管理化学溶剂；富氧燃烧能几乎捕获所有 CO?排放且减少氮氧化物（NO?）排放，却存在高能耗和高成本问题。在 CO?捕获材料方面，多孔固体材料被广泛研究。胺基吸附剂能有效捕获稀释气体混合物中的 CO?，但易受污染物影响且成本高；金属 - 有机框架（MOFs）吸附容量高，但存在成本高、稳定性差等问题；活性炭成本效益高但吸附容量相对较低；沸石成本低且耐用，在某些条件下吸附性能良好。气凝胶作为新型材料，具有独特优势，但也面临机械脆弱和生产成本高的挑战。
- 气凝胶性能评估
- 吸附容量：胺功能化二氧化硅气凝胶的 CO?吸附容量为 1.5 - 3.5mmol/g，气凝胶整体在较宽温度范围内吸附容量为 3 - 6mmol/g，且可利用废热在 80 - 120°C 再生，相比其他部分材料具有一定优势。
- 稳定性：尽管气凝胶机械性能脆弱，但通过复合材料可增强其强度。与之对比，活性炭坚固稳定，沸石化学和热稳定性好但易碎，MOFs 在化学和热应力下不稳定。
- 大规模应用可行性：气凝胶生产成本曾较高，不过近期技术进步使其大规模应用逐渐可行。与其他材料相比，活性炭成本效益高，沸石合成成本可能较高，MOFs 面临可扩展性和高成本挑战。
- 气凝胶合成方法：气凝胶的合成方法众多。溶胶 - 凝胶法可制备高度均匀和纯净的气凝胶，但需要昂贵的前驱体且耗时；超临界干燥法能有效保留气凝胶的多孔结构，但设备要求高、成本高；模板法可控制气凝胶结构和孔隙率，但模板去除可能复杂且产生废物；自组装法可形成复杂纳米结构，但过程控制和稳定性差；3D 打印可精确定制气凝胶结构，具有高可扩展性，但可能略微影响材料性能。
- 气凝胶在油气行业的应用
- CO?捕获性能：不同类型气凝胶各有特点。二氧化硅基气凝胶孔隙率高、热稳定性好但易碎；碳基气凝胶热和化学抗性高，但成本和再生能耗是问题；聚合物基气凝胶轻质、灵活、耐用且再生能耗低，但表面面积相对较小；MOF 基气凝胶吸附和选择性好，但对水分敏感；生物基气凝胶可持续、生物可降解且能耗低，但表面面积受限。
- 环境影响和生命周期分析：环境影响评估显示，气凝胶在减少资源足迹和温室气体排放方面有一定优势。生命周期分析（LCA）表明，气凝胶在生产阶段能源消耗大，但在使用阶段可减少排放，且化学惰性和稳定性使其在处置阶段排放少，整体环境影响相对平衡。
- 实际应用案例：气凝胶在油气行业有诸多应用。在管道保温和腐蚀保护中，能提高热效率、减少腐蚀；在液化天然气（LNG）系统的低温绝缘中，可保持 LNG 低温、减少蒸发损失；在油藏工程中，可提高采收率；在气体吸附方面，可有效捕获 CO?和挥发性有机化合物（VOCs）；在原油泄漏修复中，能选择性吸收油类且环境友好。
研究结论表明，气凝胶因其独特性能在油气行业 CO?捕获领域具有广阔的应用前景。然而，目前气凝胶的大规模应用仍面临生产成本高、机械性能有待提高等挑战。未来，需要进一步优化生产方法，降低成本，同时提高气凝胶的稳定性和吸附效率。这不仅有助于油气行业实现低碳转型，减少 CO?排放，缓解气候变化压力，还为全球碳捕获技术的发展开辟了新的道路，推动能源行业向更可持续的方向迈进。
