《Process Safety and Environmental Protection》：Perfluorocarbon Emissions from Aluminum Electrolysis: Generation Mechanisms, Abatement Strategies, and Carbon Neutrality Pathways
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摘要鉴于全氟碳化合物（PFCs）具有极高的全球增温潜势和大气持久性，针对其主要工业排放源开展定向减排对于实现气候目标至关重要。本综述系统性地审视了全氟碳化合物（PFCs）排放问题，专注于铝电解工业。首先阐述了PFCs的基本生成机理，包括因氧化铝耗尽而触发的"阳极效应"这一主要
摘要
鉴于全氟碳化合物（PFCs）具有极高的全球增温潜势和大气持久性，针对其主要工业排放源开展定向减排对于实现气候目标至关重要。本综述系统性地审视了全氟碳化合物（PFCs）排放问题，专注于铝电解工业。首先阐述了PFCs的基本生成机理，包括因氧化铝耗尽而触发的"阳极效应"这一主要途径，以及新兴认识到的由局部微尺度扰动引起的非阳极效应排放。随后，对涵盖源头减量、工艺优化和末端治理技术的既有及新兴减排策略进行了评估。具体分析了用于抑制阳极效应的高级氧化铝加料控制、惰性阳极开发以及PFCs分解与回收的多技术耦合方法。在此基础上，本研究构建了涵盖"碳减排、零碳排放和碳负排放"路径的三级碳中和框架，整合了工艺优化、惰性阳极开发与绿色电力替代，以及PFCs捕获与循环利用。通过融合机理性洞察与多维度技术评估，本研究旨在为工业PFCs减排提供系统性的技术参考，并引导铝电解行业迈向可持续碳中和。
引言
全球气候行动势在必行，因为受前所未有的人为温室气体排放驱动，2020年全球平均气温较工业化前水平上升约1.5°C，引发了严重的生态危机，包括冰冻圈退化、海平面上升和气象极端事件加剧（Allen等人，2012；Zhou等人，2023）。这一变暖从根本上由二氧化碳（CO?）和全氟碳化合物（PFCs）等温室气体驱动（Harvey和Gronewold，2019；Yoro和Daramola，2020）。在这一紧迫的监管背景下，控制PFCs等非二氧化碳温室气体至关重要。
尽管PFCs的体积排放量相对较低，但凭借其卓越的气象稳定性和巨大的全球增温潜势（GWP），其对气候构成了严重的长期风险。这种稳定性源于极其强的碳-氟（C–F）键，使PFCs在大气中高度持久（Wang等人，2025）。近期评估表明，CF?（PFC-14）是最丰富的PFC，预计2024年大气浓度将达到90 ppt。在一切照旧情景下，PFCs累积排放量可能达到4914 Mt CO?当量，即使在积极减排路径下仍构成可观的增温威胁（Guo和Fang，2023；Prinn等人，2018）。其生物毒性和持久的生态足迹进一步要求紧急干预。未来数十年内对这些强效温室气体的减排对于减缓全球气温上升速度至关重要（Guo和Fang，2024）。
实现上述气候目标需要对PFCs主要工业排放源开展定向行动。人为PFCs排放高度集中于工业铝电解，估计占总排放量的62%（?sheim，2017；Kim等人，2014；Michalopoulou，2018；Pan等人，2019；Wong等人，2015）。自2015年以来全球PFCs排放的增长主要由中国铝工业的扩张驱动（Kim等人，2021）。因此，本综述聚焦于这一关键行业。随着该行业为满足全球需求而持续扩张，深入理解其核心电解过程中PFCs的具体生成机理，并开发有效的脱碳路径变得至关重要，特别是在数字化和绿色能源转型的背景下。本综述范围涵盖对这些机理的系统性考察、对现有和新兴减排技术的评估，以及为该行业制定结构化的碳中和路线图。
为建立减缓工业PFCs排放的坚实科学与技术基础，本综述按从基础理解到实践方案再到未来展望的逻辑递进结构组织。分析首先详细阐述铝电解行业中PFCs的具体生成机理和排放特征，确定核心问题。然后调查并比较这些行业中源头减量和工艺优化的既有及新兴策略。随后，系统评估末端治理技术，包括热燃烧、催化分解和非热等离子体方法，并结合回收技术，进一步纳入第4.3节的碳负排放路径。在此基础上，本综述评估并概述了铝电解行业通向碳中和的确定性技术路径，按三个渐进层级构建：碳减排、零碳排放和碳负排放。进一步开发了多维评估框架，从技术成熟度、经济成本、能耗和减排效率等方面对这些技术进行定量比较。这一从机理分析到治理技术和脱碳路线图的整合方法，旨在提供全面的证据基础并识别关键研究缺口，以指导可持续工业加工和气候减缓的未来创新。
章节摘要
工艺基本原理与PFCs形成的背景
铝电解中的全氟碳化合物（PFCs）并非正常工艺的产物，而是由特定操作扰动引起。该行业依赖霍尔-埃鲁法，在950–970°C运行的预焙电解槽中，氧化铝（Al?O?）在熔融冰晶石（Na?AlF?）浴中被电解还原。在最佳条件下，稳定的氧化铝浓度和约1 A/cm2的典型电流密度下，主阳极反应洁净地产生CO?（方程式3）（Zhang等人，
减排策略
目前铝电解中PFCs减排措施涵盖源头替代、工艺优化（Allgood，2003；Mcculloch，2003）和末端治理（Zhu等人，2023）。源头控制旨在从PFCs生成的源头进行抑制，工艺优化通过精确的氧化铝加料和电解槽控制来抑制阳极效应，末端技术则用于销毁残余排放（Zhang等人，2024）。本节考察了这三个维度的技术方法，
碳中和路径
前述章节已确立，PFCs虽然仅占铝业总温室气体排放量的较小比例（以质量计），但凭借其极高的全球增温潜势，产生了不成比例的巨大气候影响。因此，下文讨论的碳中和路径主要聚焦于直接针对PFCs生成、减缓和消除的技术。基于机理理解与治理技术
铝电解的挑战与机遇
在前述对PFCs排放源、生成机理和治理策略的分析基础上，本结论性章节综合了主要的跨领域发现，并确定了未来研究和工业实践的重点方向。本综述确认，铝电解是全氟碳化合物（PFCs）排放的主要人为来源，其底层生成机理、排放特征和随之而来的治理挑战均已明确界定。
未引用参考文献
（Allen等人，2012；Chen等人，2021；Jassim等人，2016；Kuroki等人，2005；Metson等人，2002；Prinn等人；Qin等人，2015；Qin等人，2012；Wang等人，2025；Wang等人，2024；Wang等人，2024；Zhang等人，2026；Zheng等人，2022）
CRediT作者贡献声明
刘永军：撰写—审阅与编辑，可视化，验证，资源获取，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，形式化分析。郑祥：撰写—审阅与编辑，可视化，方法论，调查研究，资金获取。任鹏坤：撰写—审阅与编辑，可视化，方法论，调查研究。李杰飞：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，可视化，验证，项目管理，方法论，
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究获得国家重点研发计划（编号：2024YFC3712204）、四川省自然科学基金（编号：2025ZNSFSC0138）、中国博士后科学基金（编号：2025M780592）以及河南省科技攻关项目（编号：252102240059）的资助。
李杰飞|杨雨轩|郑祥|任鹏坤|刘永军
