碳中和技术前沿：从离子液体到混合膜系统——CO2捕集与封存技术的创新与挑战

为解决工业碳排放导致的全球变暖问题，研究人员系统回顾了碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的最新进展。研究聚焦膜分离、离子液体（ILs）及混合系统等创新方案，揭示了其在提升能效、降低成本方面的潜力，为实现巴黎协定1.5°C目标及可持续发展目标（SDG 13）提供了关键技术路径。

　　

随着全球工业化进程加速，化石燃料燃烧导致大气中CO₂浓度持续攀升，目前已超过400 ppm，成为引发全球气候危机的首要因素。国际能源署数据显示，2019年全球化石燃料相关CO₂排放量达38.0吉吨，其中中国（30%）、美国（15%）、印度（7%）和欧洲国家（13%）为主要排放源。这种趋势若持续不改，根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，到210年CO₂浓度可能达到800 ppm，导致全球温度上升3.7-4.8°C，带来灾难性后果。面对这一严峻挑战，碳捕集与封存（CCS）技术作为实现《巴黎协定》1.5°C温控目标的关键手段，正受到全球范围内的广泛关注。

尽管CCS技术潜力巨大，但其大规模部署仍面临诸多障碍：高成本（每吨CO₂捕集成本24-200美元）、能源惩罚（6-11%的效率损失）、存储场地有限以及监管框架不完善等。特别是传统的胺类吸收法，虽然能够捕集85%以上的CO₂，但存在腐蚀性强、再生能耗高（4-5.5 GJ/tCO₂）、溶剂降解等问题。这些技术经济瓶颈促使研究人员探索更高效、更经济的创新解决方案。

在此背景下，Mohammad Forrukh Hossain Khan等研究人员在《International Journal of Low-Carbon Technologies》上发表综述文章，系统分析了碳中和技术领域的最新进展。研究团队来自孟加拉国贾肖尔科技大学石油与采矿工程系能源转换实验室，他们在文中详细评估了多种CO₂捕集路线，包括燃烧前捕集、燃烧后捕集（PCC）、富氧燃烧（OFC）和化学链燃烧（CLC），并特别关注了新兴技术如离子液体（ILs）、金属有机框架（MOFs）和混合膜系统的应用潜力。

研究人员通过文献计量分析（基于752篇2018-2024年发表的论文）构建了碳中和研究网络，识别出已建立的研究领域（蓝色）、相互关联的出版物群（红色）、未来需要探索的研究方向（黄色）以及尚未广泛探索的特定研究领域（绿色）。这种可视化方法为领域研究提供了战略指导。

关键技术方法包括：1）膜分离技术，使用有机、无机和混合膜材料；2）吸附过程，采用沸石、活性炭和MOFs等固体吸附剂；3）化学吸收过程，使用胺类、氨基酸盐和碳酸盐溶液；4）离子液体（ILs）应用，包括常规ILs和任务特异性ILs（TSILs）；5）混合系统，结合膜技术与化学吸收优势。

燃烧前捕集技术通过在燃料燃烧前提取碳，产生合成气（H₂和CO混合物），随后通过水煤气变换反应（WGSR）产生高浓度CO₂（15-60%）。这种方法压力条件高（2-7 MPa），传输能耗低，但气化单元成本较高，能效惩罚为6-11%，煤制气工厂的CO₂捕集成本为40-70美元/吨。

燃烧后捕集（PCC）技术处理燃烧产生的烟气，尽管成本较低且操作灵活，但由于CO₂浓度低（3-20%）和分压小（0.03-0.2 bar），效率相对较低。胺类溶剂可捕集85%以上的CO₂，但再生能耗高达4-5.5 GJ/tCO₂，导致运营成本增加65%。

富氧燃烧（OFC）使用氧气而非空气进行燃烧，产生高浓度CO₂气流（体积超过80%），简化了通过冷凝进行的净化过程。最佳氧气纯度约为97 mol%，但许多操作采用95 mol%，因为在更高纯度下能耗急剧增加。该方法需要空气分离单元（ASU），带来显著能源惩罚。

化学链燃烧（CLC）作为一种新兴的富氧燃烧技术，使用低成本金属氧化物载体（钙、镍、铜、铁等）提供燃烧所需氧气。金属在燃料反应器中被还原为金属，将燃料氧化成CO₂和H₂O蒸气，然后还原的金属返回空气反应器重新氧化。这种方法能效高，NO_x生成少，但仍处于开发阶段。

直接空气捕集（DAC）技术旨在从环境空气（约400 ppm）中捕获CO₂，目前被视为能源密集且成本高昂的方法，面临设备规模大的挑战。从400 ppm浓度捕获CO₂的最低能量需求估计为19-22 kJ/mol CO₂，比煤电厂燃烧后处理过程（CO₂浓度10-15%）所需能量（4.6-5.6 kJ/mol CO₂）高出约四倍。

膜分离技术通过气体与膜的物理或化学相互作用实现分离，因其能源效率和环境友好性而受到关注。燃烧后膜需要高CO₂渗透性、热/化学稳定性、CO₂/N₂选择性和成本效益。胺功能化纳米多孔材料因其增强的吸附容量、选择性、改进的动力学和降低成本而受到特别关注。该方法需要约0.5-1.0 MJ/kg CO₂，碳捕集成本为50-78美元/tCO₂。

吸附过程提供能源效率高的替代方案，兼容燃烧前和燃烧后场景。物理吸附依赖表面亲和力捕获CO₂，再生能量需求较低（2.0-3.0 MJ/kg CO₂），相关碳捕集成本为40-63美元/吨CO₂。胺基吸附剂因其低能量需求、高吸附容量和最小腐蚀风险而显示出良好的CO₂捕集潜力。

化学吸收过程广泛用于从低压烟气中捕获CO₂。胺类吸收剂，特别是单乙醇胺（MEA），虽然应用广泛，但存在高再生能量需求（3.7 GJ/tCO₂）等问题。哌嗪（PZ）提供明显更快的CO₂吸收率，约是MEA的两倍，当作为促进剂用于提高叔胺水溶液中的CO₂吸收时，通常在低于10%的浓度下有效。

氨基酸盐溶液表现出对CO₂的高反应性，具有低挥发性、低降解性、无毒、氧化环境中的稳定性和高表面张力。最近的研究集中在将叔胺加入烷醇胺混合物中，以减轻这些缺点，增强CO₂吸收，并减少再生所需能量。

chilled ammonia process使用溶解在水中的液氨作为多相吸收技术的领先剂。在低温（0°C-20°C）下，NH₃与CO₂反应生成碳酸氢铵。基于NH₃的溶剂具有 several advantages，包括在烟气中降解最小、高吸收容量、易于再生、低腐蚀以及捕获多种污染物的能力。

碳酸盐溶液，包括碳酸钾，用于CO₂吸收，因其成本效益、高效率、低毒性、显著溶解度和最小降解而优于胺类。K₂2CO₃溶液以其卓越的CO₂捕集性能而著称，比任何碳酸盐溶液都更广泛使用。

金属有机框架（MOFs）作为多孔晶体固体，因其出色的气体分离性能而受到关注。MOF-74在0.15 bar和40°C下的吸附容量为5.5 mmol CO₂/gMOF，在15°C和1 bar下升至8.0 mmol CO₂/gMOF。与ILs结合的纳米金属有机框架已成为CO₂的 exceptionally effective adsorbent，优于其对甲烷气体和氮气的有效性。

离子液体（ILs）由无机或有机阴离子与有机阳离子配对形成，可显著提高CO₂溶解度。室温ILs有效吸收CO₂，特别是那些结合亲水基团的，被归类为任务特异性ILs（TSILs），其熔点低于100°C。氨基酸能化ILs，称为TSILs，表现出0.5 mol CO₂/mol IL的CO₂捕集容量。

混合技术整合多种方法以更有效地克服个体局限性。ILs与膜的结合通过生成碳酸盐和碳酸氢盐展示了 enhanced CO₂ capture and separation performance，便于 straightforward regeneration。混合膜-化学吸收方法在CO₂捕集效率、成本效益和能耗方面具有优势。

分子筛作为高度多孔材料，适用于分离特定气体。向筛中添加IL enhances CO₂ separation performance。通过加入多孔颗粒和ILs可以提高膜尺寸选择性。低温分离利用沸点和脱 sublimation 特性的差异，有效用于从含超过50%碳的烟气中提取CO₂。

微封装通过将核心吸收剂封装在半透微胶囊中增加其表面积，允许CO₂和水的流动。这种方法合并了液体和固体吸附剂的优点，CO₂吸收速度比使用独立吸附剂或吸收剂快约100倍。

酚盐（KOPh）可以作为胺的替代品用于CO₂捕集。当KOPh加入MEA时，它 enhances CO₂ absorption without reducing the absorption rate。过量酚盐的存在导致大量碳酸氢盐的生成。

研究结论表明，CO₂捕集技术在近几十年取得了显著进展。虽然下一代系统显示出减缓CO₂排放的巨大潜力，但在大规模工业部署之前必须解决几个技术和操作挑战。这些包括气流杂质的影响、低CO₂分压、有限的吸收容量、缓慢的吸收动力学、高再生能量需求、 elevated costs 以及改造现有设施的复杂性。

先进技术如胺混合物、膜、MOFs和低温分离，以及早期方法，包括ILs、OFC和化学循环，在混合配置中实施时提供了有前景的解决方案。其中，新合成的ILs表现出强大的CO₂捕集潜力，特别是与胺或膜基系统结合时， thereby presenting a viable pathway for enhancing the performance of current capture technologies。

该研究的重要意义在于为碳中和技术的发展提供了全面指导，指出了传统技术的局限性和创新技术的优势，特别是混合系统在提高效率、降低成本和能源消耗方面的潜力。这些发现对于政策制定者、工业界和学术界在推动全球 decarbonization 努力方面具有重要参考价值，为实现《巴黎协定》目标和可持续发展目标提供了切实可行的技术路径。