基于上限理论与多目标优化的液化天然气船舶CO2/O2分离膜碳捕集技术研究

为解决液化天然气(LNG)船舶尾气低CO2(约3%)高O2(15-16%)特性导致的碳捕集难题，研究人员结合上限理论(Upper Bound Theory)与多目标优化框架，系统评估了先进膜材料在CO2/O2分离中的性能边界。研究发现：当CO2/O2选择性提升至20时，比能耗(SEC)可降至3.15 GJ/吨以下，优于传统胺法。该研究为海事碳捕集提供了创新的膜材料开发路径。

　　

全球航运业贡献了约3%的CO₂排放，国际海事组织(IMO)设定的2050年净零目标迫使行业寻求创新解决方案。虽然液化天然气(LNG)作为过渡燃料可减少20%排放，但其尾气中反常的3% CO₂与15-16% O₂组成，使得传统胺法碳捕集面临空间限制和能耗过高的问题。更棘手的是，现有膜技术多针对CO₂/N₂分离设计，对O₂的区分能力研究几乎空白。

中央大学等机构的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究中，首次构建了CO₂/O₂分离性能上限曲线，通过整合材料科学与系统工程方法，揭示了膜技术在海事碳捕集中突破性应用的路径。研究显示：当采用接近当前性能极限的膜材料时，系统比能耗可降至3.5 GJ/吨；而若开发出CO₂/O₂选择性达20的新型膜（约为现有水平2倍），能耗将进一步降至3.15 GJ/吨以下，显著优于胺法的4-6 GJ/吨。这一发现为航运业低碳转型提供了关键技术支撑。

研究采用三项核心技术：1) 基于CO₂/N₂和O₂/N₂已知上限关系推导CO₂/O₂理论边界；2) 针对17000TEU集装箱船尾气参数建立多级膜-液化耦合模型；3) 应用帕累托(Pareto)优化算法平衡比能耗与膜面积。

【目标船与尾气条件】
以17000TEU LNG动力集装箱船为对象，其尾气含81-82% N₂、15-17% O₂和3% CO₂，这种特殊组成使得O₂成为膜分离的主要干扰组分。

【CO₂/O₂分离上限关联】
创新性地从Robeson上限曲线推导出CO₂/O₂性能边界公式：log(α_CO2/O2)=0.34×log(P_CO2)-3.47。发现高自由体积聚合物(如PIMs)虽提升CO₂渗透性，但会因O₂同步渗透导致选择性下降。

【多目标优化结果】
帕累托前沿分析揭示：当CO₂渗透性达5000 GPU（气体渗透单位）且选择性为10时，需20000 m²膜面积实现3.5 GJ/吨；而选择性提升至20可使面积缩减40%，同时能耗降低10%。

结论部分强调：该研究首次量化了CO₂/O₂分离性能边界对系统能效的影响，证明选择性而非渗透性才是海事应用的关键指标。讨论指出，未来应重点开发兼具高CO₂溶解性与分子筛分能力的混合基质膜(MMMs)，以突破当前上限。这项跨学科研究为IMO 2050目标提供了切实可行的技术路线，也为其他富氧环境碳捕集提供了方法论借鉴。