环境温度下新型吸附剂耦合废弃卤水实现直接空气捕集与CO2封存的技术突破

《Carbon Capture Science & Technology》：Direct Air Capture (DAC) and CO 2 Sequestration with Waste Brine Using a Novel Sorbent at Ambient Temperature

本研究针对直接空气捕集（DAC）技术对地质储层依赖性强、能耗高的瓶颈问题，开发了基于杂化离子交换剂（DeCarbon-HIX）的常温卤水再生新工艺。通过实验证实该吸附剂具备4.3 mol/kg的高CO2吸附容量、300次循环稳定性，并首次实现利用页岩气田产出水将捕集CO2直接矿化为CaCO3(s)/BaCO3(s)。该技术摆脱了对热脱附与地质封存的依赖，为缺乏储层条件的国家和地区提供了可推广的碳移除方案。

　　

随着全球年均350-400亿吨的CO₂排放量持续推高大气碳浓度，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）强调，必须在2050年前实现净零排放目标。除减排和可再生能源转型外，直接空气捕集（Direct Air Capture, DAC）技术因能直接降低大气CO₂浓度，近年受到广泛关注。然而，传统DAC技术面临两大核心挑战：一是大气中CO₂浓度极低（约420 ppm），导致吸附剂捕获效率受限；二是多数吸附剂需高温脱附，且再生后的CO₂需经压缩后注入地质层封存，能耗高且依赖特定地质条件。例如，目前全球最大的DAC工厂（冰岛Climeworks项目）虽年处理3.6万吨CO₂，却严重依赖地下玄武岩层进行矿化封存，而日本等地震频发地区则难以实施此类地质存储方案。

为此，美国利哈伊大学（Lehigh University）的研究团队在《Carbon Capture Science》发表论文，提出了一种创新解决方案：通过新型杂化离子交换剂DeCarbon-HIX，在环境温度下实现CO₂的高效捕集，并利用工业废弃卤水（如页岩气田产出水）将CO₂直接转化为固态碳酸盐，彻底避免对热能和地质封存的依赖。

关键技术方法

研究通过固定床实验（空床接触时间1秒）评估DeCarbon-HIX的CO₂吸附容量与动力学，采用上流式填充床反应器（床高4英寸）进行300次循环耐久性测试。利用合成卤水（TDS 35,000 mg/L，Ca²⁺5,000 mg/L）及马塞勒斯页岩气田真实产出水（TDS >250,000 mg/L）进行常温再生，并通过碱度测定、扫描电镜-能谱分析（SEM-EDX）表征碳酸盐沉淀。吸附剂再生后采用钢渣浸出液（Ca(OH)₂）进行羟基离子再活化，实现循环利用。

研究结果

3.1 吸附容量增强、耐久性与湿度影响

DeCarbon-HIX在50%相对湿度（RH）、25°C条件下表现出4.3 mol/kg的CO₂吸附容量，是母体弱碱阴离子树脂（Purolite A110）的3倍（图2C）。在300次循环后，其容量仍稳定在4.2-4.5 mol/kg，铜负载量保持在2.5 mol/kg（图2A-B）。低湿度（RH<10%）条件下吸附容量几乎为零，证实CO₂捕获依赖水分参与的离子交换机制（图2E）。此外，Cu(II)配位的DeCarbon-HIX容量显著高于Ni(II)改性材料（图2D），凸显金属中心路易斯酸性对吸附性能的关键作用。

3.2 循环过程与上流式接触器

上流式反应器中，250 μm粒径的DeCarbon-HIX在2小时内实现1.75 mol/kg的CO₂吸附量，较600 μm粒径材料提升133%（图3B）。其CO₂利用率（α₁₀₀）达70%，远超传统树脂的30%（图3C）。能耗计算表明，捕获每吨CO₂仅需约800 kWh风机能耗，较传统热再生DAC降低一个数量级（图3D）。中断实验证实吸附过程受颗粒内扩散控制（图3E），为优化吸附剂设计提供理论依据。

3.3 再生与同步矿化

采用含Ca²⁺卤水再生DeCarbon-HIX时，饱和指数（Saturation Index）计算显示溶液中CaCO₃过饱和（图4A），实验观察到白色CaCO₃(s)沉淀（图4B）。马塞勒斯产出水再生过程中，Ba²⁺与Ca²⁺共同参与矿化，SEM-EDX证实生成BaCO₃(s)与CaCO₃(s)混合物（图4E）。五轮循环中，超过90%的捕集CO₂被转化为固态碳酸盐（图4F），且再生后吸附剂可通过钢渣浸出液（Ca(OH)₂）高效恢复羟基形态（图4C）。

结论与意义

本研究首次实现了DAC技术与常温卤水矿化的全流程整合，突破性地解决了传统DAC对热源与地质封存的双重依赖。DeCarbon-HIX的高容量、长周期稳定性以及与工业废液（产出水、钢渣）的兼容性，为日本、岛屿国家及发展中国家提供了低成本的碳移除路径。该工艺每吨CO₂捕获能耗低于电网排放阈值（3300 kWh），且生成的碳酸盐具备商业价值，有望形成“捕集-矿化-资源化”闭环。未来通过优化吸附剂粒径与反应器设计，可进一步推动该技术的规模化应用。