二氧化碳直接转化合成甘油碳酸酯(GC)的技术评估：工艺设计、技术经济分析、生命周期与安全性的多维研究

本研究针对CO2和甘油(GLY)直接转化合成甘油碳酸酯(GC)的技术瓶颈，提出光热催化(Scheme 1)与化学脱水剂辅助热催化(Scheme 2)两种创新工艺。通过技术经济分析发现当前方案经济性不足（GC最低售价8.15/kg和15.76/kg），但优化后成本可降至$1.57/kg以下；生命周期评估(LCA)显示直接转化路径可持续性逊于间接路径，但安全性更优。该研究为CCUS（碳捕集利用与封存）技术开发提供了重要数据支撑。

　　

随着全球CO₂浓度突破420ppm，气候危机迫在眉睫。碳捕集利用与封存(CCUS)技术中，将工业排放的CO₂转化为高值化学品成为研究热点。与此同时，生物柴油产业的爆发式增长导致副产物甘油(GLY)严重过剩。甘油碳酸酯(GC)因其低毒、高沸点等特性，在溶剂和聚合物领域应用广泛，但传统合成方法依赖剧毒原料或苛刻条件。如何通过CO₂和GLY直接转化实现"变废为宝"，成为破解环境与能源双重困局的关键。

台湾大学的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，系统评估了两种GC直接合成新工艺：Scheme 1采用La₂O₂CO₃-ZnO光热催化剂，利用太阳能驱动反应；Scheme 2使用2-氰基吡啶(2-CP)作为化学脱水剂，通过热催化克服热力学限制。研究结合Aspen Plus流程模拟、技术经济分析(TEA)、生命周期评估(LCA)和本质安全指数(ISI)等方法，首次对直接转化路径进行多维度评估。

Process background
研究基于Li等报道的6.9%GC收率实验数据，建立光热催化反应模型。Scheme 1采用DMF溶剂增强CO₂溶解度，Scheme 2则通过2-CP捕获反应生成的水推动平衡。两种方案均设计了三阶段精馏分离流程，关键区别在于Scheme 2需额外处理2-CP/2-吡啶甲酰胺(2-PA)体系。

Synthesis of GC through a photothermal catalytic system
流程模拟显示，Scheme 1最佳条件下GC年产量达4,737吨，但反应器体积需1,000m³。能量分析发现溶剂回收占能耗的76%，通过热集成可节能23%。值得注意的是，光热协同效应使反应能在温和条件(80°C, 3bar)下进行，显著降低热力学障碍。

Techno-economic evaluation
经济分析给出严峻现实：当前技术下GC最低售价(MSP)高达8.15/kg（Scheme1）和15.76/kg（Scheme 2），主要受催化剂成本和2-CP消耗驱动。敏感性分析指出，若反应器成本降低50%且2-PA副产品可销售，MSP可突破性降至$1.38/kg。与间接转化法相比，直接法在规模小于5万吨/年时经济性劣势明显。

Conclusions
研究揭示直接转化路径面临三重矛盾：光热催化虽安全性最佳(ISI=14)但收率低；化学脱水法收率提升至12.5%却带来2-CP再生难题。LCA显示两种方案碳足迹比间接法高15-20%，但若光热催化收率提升至10%，环境效益可持平。该研究为CO₂资源化提供了重要技术路线图，证明在现有技术条件下，直接转化路径需在催化剂效率、脱水剂循环和经济规模上实现突破才能具备竞争力。

这项工作的核心价值在于建立了CCUS技术"经济-环境-安全"三重评估框架，为后续研究指明优化方向：开发高效稳定光热催化剂、设计2-CP闭环回收系统、探索混合工艺可能成为破局关键。研究团队特别强调，虽然当前直接转化路径尚未成熟，但其本质安全优势对化工可持续发展具有战略意义。