阿联酋气候下金属有机框架温变真空吸附法用于直接空气捕集碳的技术经济可行性评估

《Carbon Capture Science & Technology》：Techno-Economic Feasibility Assessment of Temperature Vacuum Swing Adsorption using Metal–Organic Frameworks for Direct Air Capture in the UAE

本研究针对海湾地区气候特点，系统评估了基于MIL-101(Cr)–PEI-800涂层整体结构的温变真空吸附(TVSA)技术在直接空气捕集(DAC)中的应用潜力，揭示了水共吸附主导能耗的关键瓶颈，并通过多情景分析证明规模化与废热/太阳能耦合可将成本降至40.47美元/tCO2，为干旱高湿区域碳负排放技术部署提供量化决策依据。

　　

在全球气候变化日益严峻的背景下，大气中CO₂浓度从1985年的345.17 ppm攀升至2026年预估的429.49 ppm，实现《巴黎协定》控温目标不仅需大幅削减温室气体排放，更依赖负排放技术(NET)的规模化应用。直接空气捕集(Direct Air Capture, DAC)作为新兴碳移除方案，虽在全球已有试点项目，但其在特定区域——尤其是兼具高温、高湿与强日照特征的海湾地区——的技术经济可行性仍缺乏系统评估。阿拉伯联合酋长国(UAE)作为快速发展的化石燃料依赖经济体，面临经济增长与2050年碳中和目标的双重压力，传统减排手段难以抵消历史工业排放，亟需探索适配本地气候条件的DAC路径。

然而，现有DAC研究多基于通用环境假设，忽略了UAE等高湿度地区的独特挑战：高温(30?40°C)与60%相对湿度导致的水共吸附现象，可能显著改变系统热力学平衡与能耗结构。此外，DAC成本居高不下，国际能源署(IEA)提出的2030年100美元/tCO₂愿景目标在当前试点规模下难以实现。为此，Rahaf Ajaj等研究者聚焦UAE气候场景，首次对金属有机框架(Metal–Organic Framework, MOF)基温变真空吸附(Temperature–Vacuum Swing Adsorption, TVSA)系统展开全流程技术经济评估，旨在填补区域特异性DAC设计框架的空白，并为海湾地区碳管理政策提供数据支撑。

研究采用多阶段整合方法：首先基于技术成熟度(TRL>3)与UAE气候适配性筛选出TVSA为核心工艺；选用耐湿型MOF材料MIL-101(Cr)–PEI-800（聚乙烯亚胺功能化铬基MOF）涂覆于蜂窝陶瓷整体载体，以降低压降并提升传质效率；构建平衡态过程模型计算CO₂工作容量(0.87 mmol/g)与水共吸附量(570.29 kg/d)；通过哈根-泊肃叶方程与热力学平衡关系量化六类能量贡献（风机耗电、吸附剂/载体显热、CO₂/H₂O脱附焓、真空泵功）；采用自下而上成本估算法结合折现现金流分析，测算基准平准化碳捕集成本(Levelised Cost of Direct Air Capture, LCOD)，并对规模效应、能源价格、废热整合等六参数进行敏感性测试，最终设定现实与最优情景对比不同策略下的经济性表现。

6.1. 质量流分析结果

单模块系统（直径1 m、长1.5 m的整体柱，含487,143个通道）在30°C、60%相对湿度条件下，每日可捕集31.10 kg CO₂，捕集效率达94.46%，优于多数液态吸收体系（如NaOH基系统约50%）。但水蒸气共吸附量高达570.29 kg/d，占进水总量的45.8%，凸显MOF亲水性在高湿环境中的显著影响。

6.2. 能量分析结果

总比能耗为63.21 GJ/tCO₂（约17,558.86 kWh/tCO₂），其中水脱附热能(E₆)占比72.53%（45.83 GJ/tCO₂），远超CO₂脱附所需能量(1.25 GJ/tCO₂)。风机耗电(E₁)占22.36%，证实水管理是UAE气候下DAC系统的核心能耗瓶颈。

6.3. 蒸汽需求结果

脱附阶段日需蒸汽938.60 kg，通过70%冷凝水回收与共吸附水再利用，系统可实现净水产率288.71 kg/d，为干旱地区提供附加水资源收益。

6.4. 成本分析结果

试点规模（年捕集11.35 tCO₂）基准LCOD高达4,817.61美元/tCO₂，主因柴油锅炉供汽的燃料成本（年18,410.16美元）与小规模分摊的高固定投资（73,994.25美元）。吸附剂成本按实验室小批量价计（160美元/kg），占总投资的5%。

6.5. 敏感性与情景分析结果

敏感性排序显示：规模效应影响最大（千模块扩产使LCOD下降64.7%至1,769.88美元/tCO₂），其次为柴油价格与废热替代比例。最佳情景（万模块+100%废热+0.04美元/kWh光伏电）将LCOD压降至40.47美元/tCO₂，低于IEA愿景目标；现实情景（50%废热+基准柴油价）则为851.49美元/tCO₂，较基线降低82.3%。

研究结论指出：MIL-101(Cr)–PEI-800 TVSA系统在UAE气候下技术可行，但经济竞争力取决于规模扩张与能源结构优化。水共吸附是高湿地区不可忽视的能量主导项，未来材料开发应优先提升CO₂/H₂O选择性而非单纯追求CO₂吸附容量。讨论部分强调，UAE丰富的太阳能与工业废热（60–100°C）完美匹配TVSA脱附温度需求，通过热泵升级或储热集成可进一步降低外部能源依赖。局限性在于长期循环稳定性未经验证，后续需开展500+次湿热循环实验，并将速率控制模型升级为计算流体动力学(CFD)模拟以捕捉轴向梯度效应。该研究为干旱高湿区域的DAC部署提供了首个气候适配型量化框架，也为全球类似气候区的碳负排放技术落地指明了“规模+清洁热源”的协同路径。