《RSC Sustainability》：Large scale valorization of steel slag combined with membrane-based direct air capture for carbon mineralization: a techno-economic evaluation
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为解决大气和难减排工业（如钢铁生产）的CO2去除难题，研究人员开展了膜基直接空气捕集（m-DAC）与钢铁渣CO2矿化耦合的技术经济研究。结果表明，m-DAC可将大气CO2浓缩至1–2%，用于渣水矿化，转化率达55.4%（1% CO2）和43.3%（2% CO2），并副产H2和碳化渣（SCM）。该集成工艺为规模化、持久的碳去除提供了可行路径，推动了循环资源利用和工业脱碳。
大气中二氧化碳（CO2）浓度持续攀升，2025年3月已达到426.4 ppm的历史新高，全球碳中和目标面临严峻挑战。尤其是钢铁等难以减排的工业部门，其生产过程排放大量CO2，同时产生大量固体废弃物——钢渣。如何有效捕集并永久封存这些CO2，同时实现工业废渣的高值化利用，成为当前气候变化和循环经济领域的核心难题。传统的直接空气捕集（Direct Air Capture, DAC）技术，如基于溶剂或吸附剂的系统，虽已进入早期商业化，但其规模化潜力受限、成本高昂，且通常需要产出高纯度CO2以供地质封存，应用场景较为单一。
在此背景下，一项发表于《RSC Sustainability》的研究提出了一种创新性解决方案：将膜基直接空气捕集（membrane-based Direct Air Capture, m-DAC）与钢铁渣的CO2矿化过程进行耦合。这项研究不仅仅是技术路线的简单叠加，而是旨在构建一个从空气中“捕获”到工业废料中“封存”的完整碳管理链条，并同步生产具有市场价值的副产品，从而提升整个链条的经济可行性。
为了全面评估这一耦合工艺的潜力，研究团队采用了多学科交叉的研究方法。首先，他们利用AVEVA Process Simulation软件对m-DAC系统进行了流程模拟，该系统采用促进传递膜（Facilitated Transport Membranes, FTMs），以中空纤维膜组件为核心，通过施加渗透侧真空（低至2 kPa）来浓缩大气中约425 ppm的CO2，目标产出纯度为1%和2%的CO2气流。其次，在实验层面，他们以克利夫兰克里夫斯钢铁厂提供的碱性氧气炉（Basic Oxygen Furnace, BOF）钢渣为原料，先利用钢渣中的Fe2+成分与蒸汽在600°C下反应生产氢气，随后对渣料进行改性直接水相碳化实验，探究其在不同浓度CO2（1%和2%）下的矿化性能。最后，研究综合了上述模拟与实验数据，运用技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA）方法，对集成的m-DAC-矿化系统进行了资本性支出（CAPEX）、运营成本（OPEX）、净现值（NPV）和盈亏平衡分析，并评估了不同电力结构（电网、可再生能源混合）下的碳排放影响。
研究结果
1. m-DAC系统的捕获性能
模拟结果表明，通过优化膜材料的内在性质（如结合常数Keq和扩散参数DCO2），单级m-DAC系统能够将环境空气中的CO2浓度从约425 ppm提升至1%或2%。研究指出，要达到有经济性评估价值的回收率（≥50%），所需的膜性能需比现有文献报道的基准值高出4-5个数量级，这凸显了当前膜材料性能与大规模应用需求之间的巨大差距。
2. 钢渣矿化与氢气生产的实验性能
实验数据显示，BOF钢渣首先可以通过蒸汽氧化反应，每克渣产生16.99标准毫升的氢气。随后，在矿化步骤中，使用m-DAC产出的1%和2% CO2气流进行碳化，CO2转化率分别达到55.4%和43.3%，生成了碳酸钙（CaCO3）和碳化渣。碳化渣可作为辅助性胶凝材料（Supplementary Cementitious Material, SCM）用于建材，实现了CO2的永久封存和废渣的资源化。
3. 技术经济评估结果
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资本与运营成本：集成系统的资本性支出主要由m-DAC单元（占比约60-65%）主导，特别是真空泵和压缩机；运营成本则高度依赖电力，占比超过74%。
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经济可行性：在基线情景（电价0.06美元/千瓦时，碳化渣售价26美元/吨，氢气售价2美元/千克，并享受100美元/吨的45Q税收抵免）下，无论是1%还是2% CO2进料方案，其45年内的净现值均为巨额负数，表明目前工艺在经济上不可行。
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盈亏平衡分析：为使项目在45年寿命期内达到盈亏平衡（NPV=0），碳化渣的售价需大幅提高至99.26美元/吨（1% CO2方案）和116.17美元/吨（2% CO2方案），远高于当前市场预期价格（20-30美元/吨）。
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敏感性分析：即便假设电费为零或膜成本为零，也无法使项目在寿命期内实现盈利，揭示了经济可行性的核心瓶颈在于高资本投入和有限的副产品收入。
4. 碳排放影响
系统的净碳排放高度依赖于电力来源。当完全使用当前美国电网电力时，系统是净排放源（年净排放2023吨或1012吨CO2）。当电力完全来自可再生能源时，系统则转变为净碳移除技术（年净移除720吨或783吨CO2）。这表明，该技术的环境效益与能源结构的脱碳程度紧密相连。
结论与讨论
本研究表明，将膜基直接空气捕集与钢铁渣矿化相结合，在技术路径上为持续性的碳捕获与永久封存提供了一条新途径。该工艺能够利用低纯度CO2流，同步生产氢气和具有建材应用潜力的碳化渣，实现了“一石三鸟”的环境与资源效益。然而，深入的技术经济评估揭示了其迈向商业化所面临的严峻挑战。
研究结论明确指出，当前工艺的经济可行性主要受制于两大瓶颈：一是m-DAC系统极高的资本性和运营成本（尤其是能耗），二是碳化渣等副产品的市场收入有限，不足以抵消前期巨额投资。即便在极为乐观的假设下（如免费电力或免费膜材料），也难以在合理的项目周期内实现财务平衡。这意味着，该技术的未来发展不仅依赖于膜材料科学（如开发更高性能、更稳定、更廉价的促进传递膜）和过程工程（如优化模块设计、降低压降、提高能效）的重大突破，也迫切需要有利的政策和市场环境作为支撑。这包括进一步的碳定价机制（如更高的45Q税收抵免）、针对碳移除技术的专项补贴、以及为低碳建筑材料创造溢价市场。
此外，该技术的环境正效益只有在与低碳或可再生能源深度耦合时才能充分显现，这强调了其作为未来可再生能源系统配套技术角色的定位。总之，这项研究为评估新兴碳管理技术的综合绩效提供了一个严谨的框架，它既展示了一种有潜力的碳循环解决方案，也客观地描绘了其从实验室走向规模化应用所必须跨越的技术、经济与政策鸿沟。只有通过跨领域的持续创新与协同努力，此类集成工艺才有可能发展成为可扩展、可持续的负排放技术，为应对气候变化做出实质性贡献。
