从异质生物质到循环CO2分离：面向燃烧后捕集的多孔碳的多尺度设计与评价

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：From Heterogeneous Biomass to Cyclic CO 2 Separation: Multiscale Design and Evaluation of Porous Carbons for Post-Combustion Capture

　　

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  回顾了BDPC从生物质前驱体到循环CO₂捕集的加工过程。
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  关联了前驱体特性、孔结构形成、颗粒传输与床层行为。
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  展示了跨阶段方案差异如何混淆表观性能优势。
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  强调了匹配对照和经检验的参数对于公平基准测试的重要性。
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  概述了路线级经济与环境评估所需的经验证输入。

引言

工业脱碳正通过可再生能源部署、电气化、材料能效提升以及生产工艺变革取得进展。然而，这些措施对所有CO₂来源的有效应对并不均等[1]。在水泥生产中，部分排放源自碳酸盐分解[1]、[2]；在传统钢铁生产中，碳仍参与还原与高温加工过程[2]；而在炼化、化工制造、可调度和废物处理领域，紧密集成的工艺和长寿命基础设施可能会延缓技术替代。这些条件使得在现有点源进行捕集具有持续作用，包括后燃烧系统，这些系统无需重新设计整个上游工艺即可引入[2]。吸附是一种可行方案，因为它具有模块化和可逆性，但其运行要求比高平衡容量更为具体：CO₂必须在有限接触时间内，从潮湿的[3]、多组分气体中以低分压条件下分离，并经历反复的吸附–再生循环[4]、[5]。因此，合适的吸附剂必须在机械可用形态下，在循环气流中保持选择性且动力学可及的工作容量[6]、[7]、[8]。

在此背景下，BDPC（生物质衍生多孔碳）吸引了广泛关注，因为残余生物质可以转化为具有可调孔结构的碳材料[9]、[10]、[11]。生物质衍生碳材料的更广泛碳管理背景，包括其与点源CO₂捕集和碳移除途径的相关性，如图1所示。除了捕集本身，捕集的CO₂可以进入多种利用和储存途径，包括提高石油采收率、地质封存或水合物封存，以及其他碳捕集、利用与封存路线，其环境和经济影响在很大程度上取决于下游工艺边界和CO₂使用方式[12]、[13]、[14]。然而，"生物质衍生"一词涵盖了广泛种类的原料，包括农业废弃物、林业副产品、食品加工废物、藻类和污泥，这些原料具有不同的细胞结构、木质纤维素组成、矿物相、水分状态和天然存在的杂原子[15]、[16]。这些特征可以显著影响脱挥发、碳保留、结构收缩、矿物再分配以及孔隙和表面功能基团的初步发展[16]。然而，这些前驱体特征的影响并不会原封不动地传递到最终吸附剂中[10]，因为物理或化学活化可以产生孔结构，其受加工强度的影响与原料来源的影响同样强烈[9]、[17]。因此，表观前驱体优势在转化过程中可能被保留、转化或大幅覆盖[18]。更有意义的问题在于，哪些前驱体属性在可吸附碳中仍然可检测，以及它们的贡献能否与活化、化学处理、碳损失和后续成型过程区分开来[19]、[20]。

除材料复杂性外，评估变得越来越具有挑战性，因为每个加工阶段都会引入不同的性能问题。在粉末层面，Brunauer–Emmett–Teller（BET）比表面积、总孔体积、元素组成和平衡CO₂吸附量描述了材料状态的各个方面，但没有任何一项单独能代表烟气条件下的孔可及性、竞争吸附、传输或可逆性[4]、[5]、[21]。较大的比表面积可能主要存在于对低CO₂分压贡献甚微的孔中，而总杂原子含量并不能确定单个吸附位点的可及性或化学环境[5]、[9]、[22]。更强的相互作用可能改善稀薄条件下的吸附量，但会增加残留负载或再生需求，高平衡容量可能与慢速传输共存。成型过程通过添加粘结剂、压实或颗粒增大改变了活性碳比例、密度、孔可及性和扩散长度[23]。在填充床中，湿度、竞争气体、放热、气流分布和再生历史进一步决定了颗粒库存的利用程度[4]、[6]。因此，粉末尺度的性能是吸附潜力的证据，而非循环分离的直接衡量指标[6]、[9]、[21]、[24]。

此外，跨评估阶段的比较往往是断断续续的，因为不同研究的原料、材料批次、制备路线、颗粒形态和运行条件各不相同。预处理、压力、温度、气体组成、粒径、模型假设和归一化方面的差异进一步增加了性能差异归因的复杂性，而原始吸附值和测量元数据也并不总是以一致的方式报告[25]、[26]。因此，文献识别遵循了结构化、框架引导和迭代的过程，搜索架构、分阶段筛选、去重处理以及评估子集选择描述在支持信息方法1和图S1中。图2总结了47项原始主要研究（经选择进行详细评估）的报告覆盖范围和证据连续性。该子集并非旨在在统计上代表整个BDPC文献，而是突出了密集评估证据库中的重复出现的空白。材料表征和定量吸附结果的报告总体上比匹配对照、重复性或不确定性、归一化基础以及机理归因更为完整，这表明跨阶段可比性不仅取决于所进行表征的数量，还取决于报告证据的连续性和完整性。

虽然先前的综述已广泛考察了BDPC制备、改性、孔结构和吸附机理，但其他综述强调了烟气性能、成型、吸附器设计、经济性和放大（表1）[10]、[11]、[27]、[28]。这些主题通常是并行讨论的。相比之下，本综述围绕连续材料路径组织文献，明确地将每个加工阶段从递送的生物质和中间半焦到可吸附粉末、成型颗粒、填充床和循环运行联系起来[29]。因此，区别并不仅仅是纳入了更广泛的主题集。相反，分析单位是材料身份、性能指标和证据支持在连续阶段之间的传递。这使得综述可以探讨在原料选择、活化或粉末吸附中观察到的表观优势，在成型、动态测试、潮湿多组分暴露、再生和放大后是否仍然可检测，并识别这种传递在何处依赖于改变的方案或未经验证的假设。它侧重于将前驱体效应与加工效应、固有行为与方案依赖结果分离所需的对照、操作边界和模型输入。最后一节指出了哪些数据可以支持路线级经济和环境评估，哪些仍然属于假设。

章节摘要

从生物质资源到可吸附多孔碳

生物质衍生多孔碳通常通过一系列转化和改性步骤生产，通常包括预处理、碳化、活化和表面功能化[30]。虽然这些过程允许系统调节孔结构和表面化学以适应CO₂吸附，但其效果受到起始生物质特性和制备过程中应用的加工条件的强烈影响[10]、[27]、[31]。然而，大量

从实验室表征到分离性能

实验室表征提供了比较可吸附碳的首要基础，通常通过平衡等温线、孔特征、表面化学和粉末尺度吸附量。然而，随着材料被成型、填充入床并暴露于流动多组分气体中，额外的变量逐渐进入测量，包括颗粒几何形状、扩散长度、堆积密度、停留时间、竞争吸附和再生历史[4]。这些

对路线级评估的影响

一旦填充床产生确定的CO₂物流，可以与产生该物流所需的材料和能源输入相关联，路线级评估就变得日益相关[27]。现有文献尚不支持将BDPC作为单一材料类别进行具有代表性的技术经济分析（TEA）或生命周期评估（LCA），尽管工艺、中试和生产研究为评估个别路线提供了部分输入。吸附过程研究表明

结论与展望

总之，尽管在BDPC的开发用于后燃烧CO₂捕集方面取得了重大进展，但从高性能实验室吸附剂到可靠验证的分离材料的转变仍未完成。本文审查的证据表明，性能不能仅由前驱体身份、BET面积或平衡容量来定义，因为表观优势在材料经过碳化、活化、成型过程中可能会被保留、减弱甚至逆转，

CRediT作者贡献声明

Jinren Lu：可视化、调查研究、概念构思。Haoshuai Li：可视化、调查研究、概念构思。Mutai Bao：写作 – 审阅与编辑、指导、资金获取、概念构思。Yang Li：指导、资源、调查研究。Bingjian Sun：写作 – 初稿、调查研究、数据整理、概念构思。Xiaoyu Han：写作 – 初稿、调查研究、数据整理。Junqing Sun：可视化、调查研究。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作主要由中国国家重点研发计划项目（项目编号：2024ZD1004300）资助。

Xiaoyu Han|Bingjian Sun|Junqing Sun|Haoshuai Li|Jinren Lu|Yang Li|Mutai Bao