通过生命周期评估（LCA）和生命周期成本分析（LCC）评估电化学二氧化碳捕集技术的可持续性：以葡萄酒产业为例

《Green Chemistry》：Evaluating the sustainability of electrochemical CO2 capture technology through LCA and LCC: a winery industry application

【字体：大中小】 时间：2026年05月07日 来源：Green Chemistry 9.2

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　　王子S. A. Nopuo | Javiera Francisca Gutiérrez-Espinoza | Carmen M. Fernández-Marchante | Pedro M. Izquierdo-Ca?as | Esteban García | Manuel A. Rodrigo | Justo Lobato
卡斯蒂利亚-拉曼查大学化学科学与技术学院化学工程系
Avda. Camilo José Cela 12, 13071 Ciudad Real, 西班牙
carmenm.fmarchante@uclm.es | justo.lobato@uclm.es

本研究对使用电化学方法生产的NaOH进行二氧化碳（CO2）吸收进行了全面的环境和经济评估，以用于工业脱碳（例如葡萄酒行业）。基于氯碱电化学过程的EDEN?技术实现了高达80%的CO2捕获效率，在纯CO2和发酵产生的CO2流体的测试中表现相当（偏差<2%）。除了捕获功能外，该系统还具有多功能性，能够将低浓度废盐水（0.05–0.15 M）转化为氢气和氯气，同时将CO2固定为碳酸钠或碳酸氢盐。在优化运行条件下，氢气生产的法拉第效率达到98–100%，在5.5 V电压下的能量消耗值为3.10 kWh/kg NaOH，在6.5 V电压下的能量消耗值为4.36 kWh/kg NaOH，这突显了动力学与能量强度之间的权衡。生命周期和技术经济分析模拟了四种EDEN?情景，并将其与使用商业NaOH的传统柱式吸收方法进行了对比。结果表明，净碳节省效果明显，其中情景2（电吸附）在所有类别中具有最低的影响（例如，每捕获1克CO2可节省-0.882克二氧化碳当量和32毫升水）。碳节省和捕获成本都高度依赖于电力碳强度。然而，通过整合可再生能源和副产品（H2、Cl2、Na2CO3）的商业化，捕获成本可以接近零甚至变为负值。这些发现强调了电化学CO2捕获技术在工业过程中的显著气候缓解潜力。通过将CO2吸收与有价值的化学物质和氢气的联产相结合，EDEN?提供了一条可扩展且多用途的路径，实现环境和经济上的可持续脱碳，可直接应用于葡萄酒行业及其他面临生物源或过程相关排放的工业系统。

**绿色基础**
1. 本研究通过展示一个由可再生能源驱动的集成电化学碳捕获系统来推进绿色化学，该系统将CO2转化为稳定的矿物碳酸盐，并产生有价值的化学物质（H2、Cl2）作为副产品。通过实验和生命周期评估，本研究实现了绿色化学的关键原则：可再生能源利用、废物增值、过程整合和循环经济。
2. 从技术可行性来看，所设计的系统实现了约80%的CO2捕获效率，应用于真实的葡萄酒发酵排放。基于情景的生命周期评估显示，情景2（采用太阳能驱动的电吸附）每捕获1克CO2可实现-0.882克二氧化碳当量的净负碳足迹，相当于每瓶葡萄酒碳足迹减少了约11.4%。该系统的用水量为每捕获1克CO2 32毫升水，捕获成本为每千克NaOH -0.22欧元，证明了其资源效率和经济效益。
3. 能量消耗被认为是系统碳足迹的关键因素；因此，后续研究应重点关注通过优化电池结构和改进离子传输来降低特定能量消耗。此外，用低毒性的替代材料替换关键和高影响材料（如贵金属催化剂）将进一步减少系统的生命周期影响。

**引言**
气候变化是21世纪的主要环境挑战，由温室气体（GHGs）在大气中的浓度上升引起，主要是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氮氧化物（N2O）。这些气体来自人类活动，其在大气中的积累对人类生活、环境质量和整体经济构成了严重威胁。其中，CO2的排放量最大，主要来自化石燃料的燃烧和其他工业过程。根据国际能源署2024年的报告，人类活动现在的CO2排放量达到了37.8 Gt，比工业化前水平高出50%。
在这方面，将碳捕获、利用和储存（CCUS）技术应用于工业过程被认为是脱碳的一个有前景的策略。CCUS技术分为三大类：燃烧前捕获、燃烧后捕获和氧燃料燃烧捕获。燃烧后捕获方法是在排放点捕获CO2，以便后续储存或利用。这一过程包括溶剂吸收、固体吸附剂吸附、膜分离和低温分离。在基于溶剂的吸收方法中，胺洗涤是燃烧后捕获的标杆工艺。一种新兴的替代方法是使用电化学生产的氢氧化钠将CO2固定为碳酸盐。

**EDEN?技术**
开发的EDEN?技术采用基于氯碱电化学过程的单元化电池，可在电解和燃料电池模式下运行。通过电解盐水（NaCl溶液），它产生有价值的副产品（如氢气（H2）和氯气（Cl2），同时产生的氢氧化钠（NaOH）通过将气体转化为稳定的碳酸盐来捕获CO2排放。该技术由可再生能源驱动，适用于任何有CO2排放的应用，并通过创新的设计实现碳足迹减少和能源自给自足。电解反应的理论详见补充信息。
在CO2捕获的背景下，EDEN技术可以整合到任何存在CO2排放的工艺中。在农业、林业和土地利用领域中，葡萄酒行业是一个关键参与者，该行业约占全球温室气体排放总量的五分之一。葡萄酒厂是全球农业食品行业的重要组成部分，在西班牙、意大利和法国等国家尤为显著。这些国家是全球主要葡萄酒生产国，合计占全球葡萄酒产量的53%以上。作为生产行业，其供应链中的所有活动（从葡萄种植到分销）都会对全球碳排放做出贡献。例如，Gazulla等人报告称，西班牙葡萄酒生产的葡萄栽培阶段通常占总排放量的15–30%。农业活动如土壤耕作、农药使用、灌溉和机械操作会导致化石燃料消耗和直接碳排放。酿酒过程也是一个关键阶段，包括发酵、稳定、冷却和装瓶，这部分占总体CO2排放量的约17%。发酵是一个生物过程，其中酵母作用于糖类，将其分解为乙醇，并产生CO2作为副产品。虽然这些排放具有生物来源，但它们在葡萄酒厂的直接温室气体排放中占有重要比例。

**结论**
尽管与其他工业过程相比，葡萄酒产业的排放量较小，但其全球规模意味着这些排放具有重要的缓解潜力。最新研究表明，虽然发酵产生的CO2仅占葡萄酒总碳足迹的一小部分，但其量在生物源CO2排放中具有相关性。根据Pattara等人的评估，葡萄园每生产一升葡萄酒大约可以固存0.38千克CO2，而酒精发酵返回系统的CO2量则少得多。化学计量计算和已发表的实验数据表明，葡萄酒发酵通常每升葡萄酒会产生70至115克CO2，这相当于酒精含量为13.5%的葡萄酒每100升产生10–11.5千克CO2。这些数据突显了葡萄园作为短周期碳汇的作用，尽管根据LCA标准，这种吸收并未计入产品碳足迹计算中。在LCA框架内，与葡萄园相关的所有环境负担都归因于葡萄酒，因为它是种植者唯一具有经济价值的产出。葡萄园运营的经济可行性完全取决于所销售的葡萄酒；因此，从葡萄或葡萄残渣中获得的其他潜在产品（如乙醇、抗氧化化合物、葡萄籽油等）不被视为相关的副产品。
2024年的全球葡萄酒年产量为2.258亿百升，这意味着仅发酵过程的排放量估计约为260万吨CO2。虽然这一数量可能小于其他工业过程，但其捕获同样重要，因为每捕获一千克CO2都向净零排放迈进了一步。此外，捕获葡萄酒厂的CO2排放对于减少行业碳足迹和确保其可持续性至关重要。在CO2返回大气之前捕获和稳定这部分生物源CO2的可能性为提升葡萄酒行业的气候缓解潜力提供了有希望的途径。基于氯碱电解的电化学技术（如EDEN?）可以将发酵产生的CO2转化为稳定的碳酸盐（Na2CO3/NaHCO3）。Flor Montalvo等人的研究表明，电化学生产的NaOH可以有效用于CO2吸收，为葡萄酒厂规模的本地和长期碳储存提供了机会。

**挑战与对策**
尽管该过程在应对气候变化方面具有巨大潜力，但其实施涉及下游和上游的环境权衡，可能影响其总体可持续性。因此，需要对整个生命周期内的环境性能进行详细评估。生命周期评估（LCA）有助于识别隐藏的环境影响热点，如能源使用和水分消耗以及资源消耗，尽管其目的是减少排放。在这项工作中，我们采用了一种综合方法来全面评估将EDEN?技术整合到葡萄酒厂中的可持续性。我们展示了通过两种捕获方法成功捕获葡萄酒发酵产生的CO2：使用电化学生产的NaOH进行柱式吸收和电吸附（直接在电化学电池中捕获CO2，无需使用吸收柱）。这两种方法的操作条件都经过优化，以实现高碳捕获效率。基于最佳条件和性能，进行了基于情景的比较生命周期评估和生命周期成本分析。评估了两种捕获方法、两种电化学电池设计以及使用商业NaOH作为柱式吸收溶剂的潜力。总体上，从碳足迹、水足迹和毒性影响等方面评估了5种方案，并分析了捕获成本。

**创新点**
本工作的创新之处在于将电化学NaOH production与葡萄酒行业中的分散式CO2捕获相结合，并进行了全面的环境和经济评估。与以往主要关注实验室规模电化学碳捕获或传统氯碱系统的研究不同，本工作评估了基于EDEN的盐水电解与电吸附和传统柱式吸收的结合，使用了真实的发酵产生的CO2流体。此外，研究还扩展到了结合生命周期评估（LCA）和生命周期成本（LCC）、对电力供应的敏感性分析以及对电力碳强度的盈亏平衡评估，从而评估了分散式实施的环境和经济可行性。这种综合方法为利用电化学生成的碱性物质在现场捕获生物源或过程相关CO2排放提供了新的见解。为了进行发酵，我们从西班牙的超市购买了葡萄汁（musto），并使用了由IVICAM（卡斯蒂利亚-拉曼查葡萄酒和葡萄研究所，西班牙）筛选出的Saccharomyces cerevisiae菌株Uvaferm VN?（Lallemand Oenology）作为酵母。营养液Vit Nature是从加拿大的Lallemand Oenology购买的，用于加速葡萄酒的发酵过程。

### 电解实验装置的设计
根据EDEN?技术的设计，我们使用了一个 bench-scale 的氯碱电解装置。该装置包括一个电化学电池、带有气体计的3D打印罐体、两个G928蠕动泵、硅管以及一个电力逆变器。研究了三种类型的电化学电池（A、B和C），其材料信息如表1所示。这些电池均为PEM（质子交换膜）系统，由多种3D打印组件组装而成，使用Fusion 360（Autodesk）软件设计，并通过Formlabs Inc.（美国）提供的3D打印机打印。所有电池都使用了Nafion? N-117作为隔膜材料。电池由两个隔室组成，分别用于阳极和阴极，中间有一个用于放置膜电极组件（MEA）的槽。MEA采用“非零间隙”设计，阳极、膜和阴极之间的间隙距离如图1所示。阳极隔室设有液体流入和流出口，而阴极隔室则设有气体流入口、液体流入口和一个出口。所有三种电池类型使用的阴极均为一块16平方厘米的钛板，上面钻有160个直径为0.5毫米的小孔。关于实验室制备的TiO2/RuO2-Pt阳极电极的合成方法，请参考我们之前的研究。电化学电池的设计旨在实现电解液的湍流流动和高效的气体释放。

### 电解过程
在每个实验中，阳极液和阴极液的体积均设定为0.8升。电解液通过两个隔室的液体流入口以循环模式进入系统，流速由泵进行调节。通过施加电压启动电解过程，生成H2、Cl2和NaOH。每隔15分钟从每个隔室取样测量pH值，并使用UV/Vis Spectroquant? PROVE 300（Merck）仪器测定两隔室中的氯物种浓度。随后根据阴极液的pH值计算NaOH浓度。同时测量每个隔室产生的气体体积以确定气体产量。本研究的主要实验参数包括施加电压（5.5 V和6.5 V）、电解时间以及电池类型（分别标记为A5.5、A6.5、B5.5、B6.6、C5.5和C6.5，其中A、B、C代表电池类型，5.5和6.5表示施加的电压）。

### CO2捕获方法
#### 通过柱吸收法捕获CO2
该方法是氯碱电解与柱吸收的集成系统（图1A）。电解完成后，富含NaOH的阴极液作为溶剂用于逆流柱吸收过程以捕获CO2。NaOH溶液的体积固定为0.8升，研究的变量包括CO2流速、NaOH流速和NaOH浓度。优化过程首先使用纯CO2进行参数调整，随后将这些条件应用于葡萄酒发酵过程中CO2的捕获。通过滴定法分析Na2CO3和NaHCO3的生成情况：首先从初始pH值滴定至8.3以测量NaHCO3含量，再从8.3滴定至4.5以测量Na2CO3含量。将Na2CO3/NaHCO3的浓度转换为摩尔数，以此计算CO2捕获效率。

#### 通过电吸附法捕获CO2
这种集成系统旨在同时产生NaOH、H2和Cl2，并同时捕获CO2（图1B）。与电解过程相同，但CO2通过阴极隔室的气体流入口引入系统。主要研究的参数包括施加电压（5.5 V和6.5 V）、实验持续时间、CO2流速（8、10、15、20、22 Nml min?1）以及CO2的注入时间（t = 0 min和t = 90 min）。针对不同类型的电解器进行了相关实验，分别命名为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2和C3。实验条件分别为：
- **案例1**：施加5.5 V电压，t = 0 min时注入CO2，实验持续60分钟；
- **案例2**：施加6.5 V电压，t = 0 min时注入CO2，实验持续60分钟；
- **案例3**：施加5.5 V电压，t = 90 min时注入CO2，实验持续150分钟。

电解开始后，生成的NaOH立即与CO2反应生成Na2CO3/NaHCO3。未反应的CO2从电池中排出并通过气体计收集为H2/CO2混合气体。每隔15分钟从每个隔室取样测量pH值，并通过0.05 M H2SO4滴定法测定Na2CO3/NaHCO3浓度。同样使用UV/Vis Spectroquant? PROVE 300仪器测量两隔室中的氯物种浓度。每隔15分钟测量气体体积以确定气体产量。H2/CO2混合气体随后通过3 M NaOH溶液去除未反应的CO2，通过测量不同时间点的H2体积计算氢气生成效率。Na2CO3/NaHCO3的浓度转换为摩尔数后用于计算CO2捕获效率。

### 葡萄酒发酵生产CO2
葡萄酒发酵使用的是从西班牙卡斯蒂利亚-拉曼查葡萄酒和葡萄研究所提供的配方中的葡萄汁、酵母及酵母营养剂。每24小时发酵一次，发酵产生的气体通过小型隔膜空气压缩机（Uniquers）被吸入气瓶中，然后送入碳捕获系统，过程与处理纯CO2的方式相同。每次实验均进行上述的测量和分析。此外，还测量了发酵液的质量、温度和潜在酒精含量。该过程每天重复进行，直到发酵完成。

### 主要酒葡萄学参数的分析
根据国际葡萄酒和葡萄组织（OIV）的官方分析方法（OIV, 2025），分析了主要酒葡萄学参数，包括白利糖度、酒精含量、总酸度以及甘油、酒石酸、柠檬酸、乳酸、琥珀酸和醋酸的浓度。葡萄糖、果糖和苹果酸的浓度通过HPLC-IR方法测定。

### 技术的生命周期评估（LCA）和生命周期成本（LCC）
实验阶段结束后，根据NaOH产量、CO2捕获量和能源效率的综合考量，选择了最合适的电池配置。由于在氢气、氯气和氢氧化钠的生产以及能源利用效率方面，电池A的表现不如电池B，因此未将其纳入LCA和LCC研究。LCA采用ISO 14040和ISO 14044的方法论框架和指南，使用SimaPro 10.1.0.6软件进行。研究过程中选择了相关或最相似的材料，进行了合理估算，并使用了Ecoinvent 3.10数据库。

### 全球变暖潜力（GWP）评估
全球变暖潜力的评估参考了IPCC 2021年的GWP20 V1.03和GWP100 V1.03方法，基于政府间气候变化专门委员会2021年的报告，分别对应20年和100年的时间范围，单位为kg CO2-eq。由于CO2减排是本研究的核心目标，因此考虑了这一影响因素。

### 水相关影响（AWARE）
鉴于葡萄酒生产地区普遍存在水资源短缺问题，水相关影响（AWARE）被认为尤为重要。辅助技术的水需求是一个关键因素。计算水足迹时使用了AWARE V1.06方法，这是一种区域化的用水量指标，表示在满足人类和水生生态系统需求后流域内的剩余可用水量（单位：m3）。毒性评估采用了USEtox 2（推荐+中间版本）V2.14方法，该方法关注人类和生态毒理学影响。评估的类别包括人类毒性（癌症相关案例和非癌症相关案例），旨在评估技术设计可能带来的毒性负担变化。

### 研究目标与范围
本研究以每捕获1克CO2为功能单位进行对比，比较了电吸附和柱吸收两种方法的环境效益。LCA建模时采用了实验确定的最优操作条件。环境影响的计算基于每捕获1克CO2的单位进行标准化，以确保两种配置之间的可比性。图2展示了两种捕获方法的系统边界：
- **场景1（Sc.1）**：使用电池B的EDEN?电吸附；
- **场景2（Sc.2）**：使用电池C的EDEN?电吸附；
- **场景3（Sc.3）**：使用电池B的EDEN?柱吸收；
- **场景4（Sc.4）**：使用电池C的EDEN?柱吸收；
- **场景5（Sc.5）**：使用商业NaOH的柱吸收（基准场景）。

系统研究采用了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的方法，考虑了EDEN?技术的所有组成部分，以及用于捕获实际葡萄酒发酵过程中产生的CO2所需的能源、原料和资源。未捕获的CO2未计入系统环境影响；捕获的CO2则被视为减排量，用于计算捕获技术的净环境效益。尽管实验中使用了合成盐水以确保重现性，但环境和经济评估考虑了来自废液的真实盐水使用情况，以反映实际情况。这一假设基于我们研究组的先前研究（Requena-Leal等人，2019年），该研究表明工业废水、反渗透废水、电渗析废水和孔隙水可作为氯碱电解中合成盐水的替代方案。假设盐水使用不会增加系统的环境负担。

**反应的化学计量比为NaOH:CO2 = 2:1**，但实验研究表明平均碳捕获效率为80%。因此，LCA建模中采用了NaOH/CO2 = 2.5的摩尔比来考虑捕获效率的不完全性。在这些条件下，Na2CO3被视为二氧化碳捕获反应的最终产物。Na2CO3的形成被认为是系统边界内的一个稳定存储途径，并假设在评估的生命周期内捕获的碳不会重新释放到大气中。这一假设代表了一种情景，即生成的碳酸盐要么被存储起来，要么用于下游应用而不会发生热分解。因此，在基础生命周期评估（LCA）模型中并未包括碳酸盐转化过程可能导致的长期二氧化碳释放。系统还假设在实验室规模条件下，两种阳极材料的耐久性是相同的。根据系统边界的物质平衡情况如图3所示。表S1展示了每种研究情景下所考虑的不同材料及其数量。下载：下载高清晰度图片（194KB）下载：下载全尺寸图片图3. 每个功能单位的二氧化碳捕获情景的物质平衡。对于使用多功能EDEN?技术副产生的产品（NaOH、Cl2和H2），考虑了经济分配，遵循Guinée等人提出的指导原则。由于产生的NaOH被用作捕获二氧化碳的吸收剂，因此其影响被用于计算每个功能单位的环境影响。使用质量平衡数据和产品市场价格计算出的分配比例如表2所示。研究考虑了当前欧洲市场上的产品价格，并将美元价格转换为欧元。表2. 基于经济价值的副产品环境影响分配产品产量，克/功能单位经济价值，欧元/千克价值，欧元/功能单位比例H2 0.06 6.60 0.00 0.059 0.234Cl2 2.20 0.35 0.00 0.077 0.440NaOH 2.27 0.25 0.00 0.057 0.326材料选择从数据库中选择了一系列材料，使用每种材料的最接近的可用 equivalents。电解池的配置包括用于阴极和阳极的钛，涂有钌和铂催化剂，覆盖在碳黑上，并结合PTFE。钛也用作电池B中的阳极催化剂。Nafion作为膜材料，垫片使用硅胶，支撑螺丝使用不锈钢，端板和双极板使用甲基丙烯酸甲酯。存储和连接部分由硅胶制成，储罐由甲基丙烯酸甲酯制成。此外，系统还包括一个压缩机、两个泵和直流电源。对于吸收系统柱体，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯和乙二醇作为塑料材料，玻璃球采用硼硅酸盐，螺丝使用不锈钢，垫片使用硅胶。原料包括Sc.1至Sc.4的氯化钠，以及基准情景（Sc.5）中的商用氢氧化钠。光伏能源被用作电力来源。在假设的系统边界内，EDEN?技术在二氧化碳捕获情景中的从摇篮到大门的库存数据详细列在表S1中。敏感性分析进行了能耗敏感性分析，以评估系统的高能耗依赖性。建模考虑了主要葡萄酒生产国家（包括西班牙、法国、意大利、智利和加利福尼亚）的电力组合，以及其他形式的可再生能源，如西班牙电网光伏能源、西班牙风能和西班牙核能。此外，还进行了盈亏平衡分析，将净GWP100表示为电力碳强度的函数，同时将所有其他因素视为常数。盈亏平衡分析模型可以表示为：2其中；YGWP是净GWP100（g CO2-eq. 每功能单位），k1是来自所有非电力贡献（材料、原料、制造等）的GWP100，X是电力碳强度（g CO2-eq. 每千瓦时），Z是每功能单位的电力消耗（千瓦时/功能单位），k2是每功能单位捕获的二氧化碳量（以g CO2-eq. 认证表示）。在盈亏平衡点，YGWP = 0；3X值在0–1000 g CO2-eq. 每千瓦时的范围内参数化变化，以评估净GWP100对电力供应排放因子的依赖性。这个范围不代表特定的电力组合，而是为了涵盖从完全可再生到高碳密集型电力系统的整个谱系，从而能够确定过程从净二氧化碳减少转变为净二氧化碳排放的阈值。分析考虑了每种捕获方法的最佳情景，并将其与情景5进行了基准对比。这确保了全面比较，并为未来的实施提供了关键的见解。生命周期成本进行了初步的LCC（生命周期成本）分析，以评估各种二氧化碳捕获情景的经济可行性。成本分析比较基于两种捕获过程的最佳操作条件，按共同的标准EUR（€）每捕获的二氧化碳克进行标准化。与LCA的系统边界一致，LCC分析基于从摇篮到大门的视角。分析考虑了设置组件的资本成本、原材料投入、能源成本、劳动力成本和排放的环境价格。材料、能源成本和劳动力成本的市场平均单位价格（€/单位）来源于当前文献和供应商目录。材料成本在其预期寿命内摊销。排放的环境价格使用SimaPro软件和CE Delft开发的环境价格（H）V1.00方法计算，该方法以ReCiPe Midpoint 2016（H）为环境负担的特征。由于获得的数值较小，价格被标准化为每捕获1千克二氧化碳，以确保易于阅读和理解。系统边界还考虑了H2、Cl2和Na2CO3商业化的潜在收入流，这些被建模为负成本以反映其经济抵消。由于研究未考虑产品的回收和纯化成本，因此收入被视为潜在的。对最佳情景的经济可行性进行了敏感性研究，考虑了主要葡萄酒生产国家的电力来源，与LCA建模一致。在优化电解操作条件时，考虑了阳极电极类型、电池配置和施加电压的影响。在氯碱系统中，阴极室中的氢氧化氢反应（HER）导致H+还原为H2并产生OH?离子，而阳极室中的氯气释放反应（CER）导致氯离子氧化为氯气。这两个反应的速率受电流密度的影响，电流密度与施加的电压和电池电阻以及电极性能直接相关。评估了这些因素对H2、Cl2和NaOH生产的影响，结果如图4所示。下载：下载高清晰度图片（420KB）下载：下载全尺寸图片图4. (A) 不同情景下的NaOH产量，(B) 产生的Cl2体积，(C) 随时间变化的NaOH浓度，(D) 比功率（千瓦时/千克NaOH）。图4A和B展示了在不同实验条件下的氢气和氯气体积。在6.5 V时，两种气体的体积都明显高于5.5 V时，反映出随着施加电压的增加，电流密度和反应速率也增加。例如，在电池C中，6.5 V和5.5 V时的电流密度分别为0.203 A cm?2和0.148 A cm?2。在所有测试条件下，氢气生产的法拉第效率一直很高（98–100%），确认阴极处没有发生副反应。相比之下，尽管电池A和电池B使用相同的阴极和阳极材料，但电池B产生的气体体积更大。这突出了电极间隙距离的影响，这是两个电池之间的唯一区别。具有较大间隙距离的电池A比电池B具有更高的电流阻力。因此，在相同的电压下，电池B记录的电流密度高于电池A。比较电池B和C，它们在氢气和氯气生产方面表现出相似的性能。两个电池具有相同的设计配置和电极间隙距离，所以具有相同的阴极材料时，氢气产量相似是预期之中的。然而，电池B和C的阳极电极不同；氯气生产的相似性表明两种电极在测试条件下的性能相当。对于所有测试条件，测量的氯气体积远低于氢气体积，尽管总反应的化学计量系数为1:1。这种差异可能归因于它们在水中的溶解度不同。氯在水中比氢更易溶；因此，部分氯被水解形成次氯酸（HClO）或次氯酸盐离子（ClO?），从而减少了释放的氯气体积。通过在两个室中测量ClO?浓度来确认了氯的水解，其中阳极室检测到显著的ClO?浓度，而阴极室检测到的ClO?浓度可以忽略不计（见SI中的图S1）。阴极侧ClO?浓度可忽略不计也表明氯没有交叉到阴极侧，表明Nafion? PEM在分离氯和氢方面的性能优异，同时允许Na+穿过膜，这与我们小组之前的研究一致。如图S2所示，观察到阴极液的pH值随时间减小，表明介质呈酸性，这也证实了氯的水解，而阴极液的pH值由于氢氧根离子的生成而增加。在阴极室中，所有测试条件下的氢氧化钠生产速率都呈线性增长，如图4C所示。可以看出，6.5 V下的生产速率高于5.5 V。这一观察结果符合预期，因为6.5 V下的HER动力学更快，意味着氢氧根离子生成更快。对于相同的施加电压，电池B的性能优于电池A，但与电池C的表现相似。由于所有电池类型都使用了相同的阴极材料，因此氢氧化钠的生产效率受到氢气生产法拉第效率、膜传输特性和操作条件的共同影响。此外，图4D显示了在所研究的电解条件下NaOH生产的比功率要求。虽然在6.5 V下操作显示出更快的HER和CER动力学，导致氢气和氯气的体积增加以及氢氧化钠浓度的提高，但这种条件被证明更加耗能。相比之下，6.5 V下的施加电压每单位氢氧化钠产生的能量约为4.36千瓦时/千克NaOH，而电池B和C分别为3.10千瓦时/千克NaOH。这种增加通常归因于更高的过电位、气泡形成增强以及与升高操作电压相关的更大热损失。由于电池A的额外电阻，它在5.5 V和6.5 V下的比功率要求相对较高。这表明对于EDEN?技术来说，5.5 V下的操作更加节能。尽管如此，即使在最有利的条件下，特定能源需求仍高于工业氯碱膜过程的报告值（2.10–2.15千瓦时/千克NaOH）。值得注意的是，工业系统通常使用高浓度盐水溶液（约5 M），而此处研究的工艺依赖于低浓度盐水，这些盐水可以来自工业废物流（如电渗析）或地下水。在这种低浓度下，降低的离子导电性、质量传输限制和有限的Na+可用性限制了氢氧化钠的生产，从而增加了比功率要求。二氧化碳捕获可以根据需要调整，以形成碳酸钠或碳酸氢钠。图5A和B显示了使用柱式吸收方法在105分钟内吸收二氧化碳时碳酸钠和碳酸氢钠的时间依赖性形成，强调了NaOH浓度对形成的碳酸盐种类的影响。如图5A所示，当使用低NaOH浓度（0.05 M）时，观察到两个不同的产物形成阶段：最初约40分钟内主要是碳酸钠（Na2CO2）的形成，之后反应转向碳酸氢钠（NaHCO3）的形成。在图5B中，当使用较高浓度的NaOH（0.15 M）时，在105分钟的CO2吸收过程中，碳酸钠（Na2CO2）的形成占主导地位，未检测到碳酸氢钠（NaHCO3）。在这些条件下，CO2的流量或吸收时间成为限制因素。相比之下，在电吸收方法中，图S3显示，在所有实验条件下都只观察到了Na2CO2作为唯一产物。这表明在所研究的电压范围内，NaOH的生成速率高于消耗速率，导致OH?离子过剩。在Mahmoudian等人的类似研究中，29 使用了相对较高的CO2流量进行电吸收过程，OH?离子成为限制因素，并且该研究报道了NaHCO3的生成而没有Na2CO3。

图5. 碳捕获演变：(A) 使用0.05 M NaOH的柱吸收，(B) 使用0.15 M NaOH的柱吸收，(C) 柱吸收和电吸收的CO2捕获效率（纯CO2），(D) 柱吸收和电吸收从葡萄酒发酵中捕获CO2的效率。
本研究旨在通过两种不同的方法评估使用电化学EDEN?技术捕获CO2的效果：(i) 传统的吸收柱；(ii) 作为吸收器的电化学电池（电吸收）。这两种方法都使用了来自压力罐的纯CO2以及来自 fermenter的CO2，以评估该技术在真实工业场景（如葡萄酒行业）中的应用可行性。图5C展示了CO2流量对柱吸收和电吸收捕获效率的影响。随着CO2流量的增加，捕获效率降低，最佳值分别为每分钟8 Nml（柱吸收）和每分钟10 Nml（电吸收）。这种反比关系是由于在高流量下气体-液体相互作用时间减少所致。由于电解槽和柱的尺寸相对较小，较快的CO2进料速率限制了停留时间，从而限制了CO2与NaOH分子之间的质量传递和化学反应，降低了捕获效率。相反，较低的流量允许更长时间的相互作用，从而提高了吸收性能。然而，对于柱吸收，在所研究的条件下，NaOH流量的变化对捕获效率没有统计学上的显著影响，如图S4A所示。如图S4B所示，捕获效率随着起始NaOH浓度的增加而提高。在测试的CO2流量和实验时间内，对于0.1 M及以上的NaOH浓度，捕获效率保持不变。这可能是因为在测试范围内有足够的OH?离子。

当将柱吸收和电吸收的优化操作条件应用于直接从葡萄酒发酵中捕获CO2时，结果表明该技术能够在实际条件下有效运行。如图5D所示，两种方法在整个发酵期间都保持了稳定的日捕获效率。柱吸收系统的效率略高于电吸收系统，这与使用纯CO2时观察到的趋势一致。此外，对于每种方法，从发酵过程中捕获的CO2的捕获效率与使用纯CO2获得的捕获效率没有显著差异，偏差低于2%。

图S5和表S3分别提供了葡萄酒发酵的每日进展和相应分析结果。

图6A和B分别表示了20年和100年时间内不同情景下的全球变暖潜力（GWP）及其组成部分的贡献。碳平衡基于相对于捕获的CO2量计算的所有温室气体的CO2当量。如图6A所示，在所研究的条件和假设下，除了使用商业NaOH的传统柱吸收情景5外，所有情景都实现了碳节约。情景5的净碳足迹为正，表明这种捕获情景将导致葡萄酒厂的碳足迹增加而不是减少。该情景的主要GWP贡献者是原料（商业NaOH），这可以解释为大多数商业NaOH生产依赖于化石基电网混合物。1至4情景中使用的电化学生产的NaOH依赖于可再生能源，因此这四个情景在长期和短期内都记录了负碳足迹，表明它们能够减少葡萄酒厂的碳足迹。在这四个情景中，可以对比电解槽类型和两种捕获方法的表现。

在电池类型方面，C电池在电吸收和柱吸收中的影响都相对较低，主要区别在于它们的阳极材料的环境影响。例如，在电吸收中，B电池（情景1）的阳极占总影响的60%以上，而B电池（情景2）的阳极占总影响的不到20%。这一观察突显了材料优化在电化学系统设计中的重要性。鉴于两种电池在电解过程中的性能相似，可以认为C电池中使用的阳极比B电池更环保。然而，需要注意的是，在实验室规模的过程中，两种阳极的耐用性（寿命）被认为是相同的，这一假设可能不适用于工业操作。这是因为B电池的阳极由钛板制成，而C电池的阳极由钛毡制成，前者在工业过程中被认为比后者更耐用。

在两种捕获方法中，使用相同类型的电池时，电吸收记录的碳足迹较低，这归因于其设计更为简单，因此涉及的材料组分较少。然而，由于电吸收的CO2捕获效率不是100%，柱吸收方法有可能产生更多的纯H2。因此，如果将系统边界扩展到包括副产品的纯化和避免的排放，这两种方法之间的碳足迹差异将显著减小。另一个对研究情景的GWP有显著贡献的因素是捕获过程的能量需求。在情景2和4中，能量对GWP的贡献更为突出，占总影响的约30%。通常，电力使用是电化学系统碳足迹的主要部分，因为许多地区电力混合物中含有大量化石燃料。在这些情景中记录的较低分数主要是由于系统依赖于100%的可再生能源（离网太阳能），因此随着能源来源的变化而变化。

长期（100年）的GWP记录的影响略低于短期（20年），但情景的排名没有变化。这种影响的减少是因为在短期内更强调诸如甲烷和一氧化二氮这样的短期但强效的温室气体。因此，20年的GWP指标捕捉了即时的气候强迫和短期变暖影响，而100年的GWP将影响分散在更长的时间内，使得短期气体的影响显得不那么显著。总体而言，无论使用何种类型的电池或捕获方法，情景1至4在短期和长期内都记录了净负GWP，分别为每捕获1克CO2 0.804、0.882、0.717和0.794克CO2当量。这表明在所研究的系统边界和假设下，情景2可以被认为是最环保的实施路线。

尽管在定义的系统边界内，Na2CO3的形成被认为是一种稳定的碳储存途径，但其长期持久性取决于其后续用途。碳酸钠是苏打-石灰玻璃生产中的关键中间体，广泛用于葡萄酒瓶制造，38 可以通过包装材料的再利用和回收支持葡萄酒价值链中的循环经济策略。或者，Na2CO3可以应用于农业土壤，在适当的条件下无机碳可以长期储存。然而，基于碳酸盐的储存的稳定性取决于最终用途途径，因为一些工业过程（如玻璃生产）可能涉及热分解并释放CO2。因此，未来的研究应该评估碳酸盐利用的整个生命周期，以更好地量化其长期碳持久性。

这里的结果可以与其他以捕获的CO2为功能单位并采用从摇篮到大门系统边界的脱碳过程的LCA研究进行比较。Medina-Martos等人41 研究了使用NaOH作为吸收剂捕获CO2生产碳酸盐的环境足迹，并在从摇篮到大门系统边界内进行了评估，报告了基于可再生能源的NaOH和商业NaOH的碳足迹分别为每捕获1千克CO2 0.32和0.54千克CO2当量。在NaOH基碳捕获领域之外，Lonzio等人42 对使用吸附剂的直接空气捕获进行了LCA，并在从摇篮到大门系统边界内进行了评估，报告了基于纤维素胺吸附系统的总排放量为每捕获1吨CO2 116千克CO2当量（相当于每捕获1克CO2 0.116克CO2当量）。同样，Deutz等人43 评估了基于温度-真空摆动吸附的直接空气捕获系统的碳减排潜力，并在从摇篮到大门系统边界内报告了净排放量为每捕获1千克CO2 0.854千克CO2当量。与这里的结果一致，所有这些研究都表明使用可再生能源的捕获系统表现更好。因此，这里的结果可以说与文献中报告的值在范围内，并表明EDEN?技术在减少碳足迹方面具有巨大潜力。然而，重要的是要指出，这些比较并不是在明确的基准背景下进行的，因为数据来源、假设和软件/数据库版本的不同通常会对LCA结果产生显著影响。

鉴于许多葡萄酒生产区域面临季节性水资源短缺的问题，有必要量化要集成到葡萄酒厂中的辅助技术的水足迹，以确保它们的长期可持续性和韧性。基于此，使用了AWARE方法来量化不同碳捕获场景的总用水量，结果如图7所示。与许多脱碳技术一致，所有研究场景都记录了净正水足迹，这是因为脱碳技术的主要目的是减少CO2排放而不是水消耗。这些结果表明，将CO2捕获单元集成到行业中将增加行业的用水量。在捕获场景中，情景2的用水量最低，为每捕获1克CO2 32.0毫升，而情景5的用水量最高，主要是由于上游过程所致。情景5较高的用水量可以解释为商业NaOH生产需要淡水用于盐水的制备和冷却，并分担了电网混合物的一部分水足迹。此外，制备柱吸收所需的NaOH溶剂需要大量淡水，这也导致了整体较高的水足迹。

图7. 不同CO2捕获场景的水足迹。情景1-4记录的较低水足迹主要是由于采用了循环经济原则，即将工业废盐水转化为CO2捕获的原料。该策略减少了技术对淡水的需求，从而提供了环境效益。在二氧化碳捕获情景中，使用UseTox方法计算了不同情景下的人类健康毒性，包括癌症和非癌症病例，并考虑了淡水生态毒性因素，如图8所示。下载：下载高分辨率图像（180KB）下载：下载全尺寸图像。图8。(A) 不同情景下的人类癌症和非癌症病例的毒性；(B) 不同情景下的淡水生态毒性。在研究的情景中，情景5对人类健康的毒性最高，超过每捕获1克二氧化碳6E-7例癌症/非癌症病例，这主要归因于直接使用商业NaOH。另一方面，EDEN?技术的情景影响较小。对于EDEN?情景，癌症病例少于非癌症病例。对人类健康的影响最小的是情景2（电池C），它使用自制的阳极。这主要是因为其重量约为情景1和情景3中使用的商业选项的六分之一，尽管两者使用的材料相似，如钛、钌和铂。关于淡水生态毒性，也观察到了类似的趋势，情景5的影响大于EDEN?技术。无论采用哪种碳吸收方法，使用电池C产生的生态毒性值最低，约为每捕获1克二氧化碳7400 PAF m3天，尽管电吸收的毒性略低于柱吸收。柱吸收在EDEN?选项中对淡水生态性的影响最大。

由于电力消耗对碳捕获情景的GWP有显著影响，其整体环境性能取决于能源类型。敏感性分析提供了关于电力生产区域和技术变化如何影响所研究的二氧化碳捕获情景的碳足迹的见解。图9展示了使用图6中表现最好的情景2和4与情景5进行对比时，不同电力来源对两种捕获方法GWP100影响的结果。该分析涵盖了西班牙主要葡萄酒生产国的电力构成和各种可再生能源类型。图9显示，碳捕获情景的GWP对能源类型非常敏感，在不同国家的电力构成和可再生能源类型之间存在显著差异。对于五种国家电力构成，GWP至少比基础能源（离网光伏）高出43%。在比较不同可再生能源类型的GWP与基础能源的GWP时，基于电网的光伏和风能的GWP至少高出1.3%，而核能的GWP则低3%。在所有捕获情景中，情景2在所有能源类型下保持最低的GWP，其次是情景4。这两种情景在所有可再生能源类型下实现了净负GWP。然而，在所有国家电力构成中，除了法国的情景2和4外，所有情景都实现了净正GWP。这清楚地表明，在可再生能源条件下，碳捕获情景的表现优于国家电力构成。在所有能源类型中，电力成分是情景2和4 GWP的主要贡献者，风吹、核能和离网光伏能源的主要贡献者是制造过程。

鉴于电力使用对净碳足迹的显著贡献，进行了一个平衡分析，将净GWP100表示为电力碳强度的函数，同时将所有其他因素的综合影响建模为常数。如图9B所示的结果进一步证实了电力类型/来源对系统环境性能的强烈影响。可以观察到情景2和4有一个明显的平衡点，在此点以下，过程可实现二氧化碳排放的净减少；超过这一点，则环境效益丧失。这些阈值表明，只要电力碳强度保持在大约每千瓦时300克二氧化碳当量以下，情景2就能保持净负气候影响，这对应于中等脱碳的电力网格，例如根据Ecoinvent数据库的当前欧洲电力构成（如法国和西班牙）。相比之下，情景4只有在电力碳强度低于大约每千瓦时150克二氧化碳当量时才具有环境优势，这需要低碳电力来源，如主要由可再生能源或核能主导的电力。情景5在分析范围内未能实现净排放减少，主要是因为其主要碳排放来自原料。

在确定捕获情景的最可持续运行条件时，观察到二氧化碳捕获效率与全球变暖潜力之间的权衡。如图10A所示，每捕获1克二氧化碳的二氧化碳当量排放量随着二氧化碳流入量的增加而减少，而二氧化碳捕获效率也在同一范围内下降。这种现象表明系统的环境可持续性得到了提高，但捕获效率降低，或者反之亦然。在两种情景中，情景2的这种权衡在 magnitude 和敏感性方面表现得尤为明显。这是因为在电吸收方法中，较高的流速下可以获得更有利的二氧化碳捕获与能量输入比率，从而降低了单位二氧化碳捕获的生命周期排放。同样的现象也适用于柱吸收方法；然而，其90%以上的能源消耗用于NaOH的生产，这与二氧化碳流入量无关。因此，随着流速的增加，节能不足以显著改变GWP100，使得柱吸收的总体GWP100对流速不太敏感。相比之下，其二氧化碳捕获效率对二氧化碳流速敏感。

在碳足迹与捕获成本之间的权衡方面，如图10B所示，观察到了线性关系。这一趋势表明，环境和经济影响主要受不同流速下捕获的二氧化碳量控制。由于主要运营和基础设施负担保持不变，增加二氧化碳流速会提高捕获速率，从而降低环境和捕获单位成本。因此，在研究的运行条件范围内，未观察到环境和经济性能之间的强烈权衡。然而，碳足迹、捕获成本和捕获效率之间的综合权衡表明，流速是未来优化或实施的重要因素，需要在最小化生命周期排放、捕获成本和保持足够高的捕获效率之间找到平衡。重新审视之前的论断，柱吸收方法的最佳流速确实是8 Nml min?1；在这种流速下，系统实现了81%的捕获效率，并且GWP100相对较低。然而，之前提出的电吸收的最佳流速为10 ml min?1则具有灵活性；根据优先考虑GWP100降低还是捕获效率提高的不同，最佳条件可能是10或15 Nml min?1。

如前所述，技术可持续性表现对能源类型和来源的变化非常敏感，使用可再生能源时表现更好。评估了情景2和4在不同国家的经济可行性，并与情景5进行了对比，结果如图11所示。在研究的能源类型中，国家电力构成导致了较高的捕获成本，其中变化主要由排放成本驱动。对于意大利、西班牙和法国等可再生能源占比较高的国家，情景2和4的主要成本成分是能源成本。对于情景5，由于与商业NaOH生产相关的较高排放，排放成本是主要成本成分。除了排放成本外，不同国家之间的能源和劳动力成本也略有变化。智利的能源和劳动力成本最低；然而，其高碳强度的电力特性导致了较高的排放成本和总体较高的捕获成本。然而，如果捕获过程使用可再生能源，智利的净捕获成本将显著低于其他研究国家。

跨所有能源类型，情景在可再生能源下的捕获成本相对较低，其中情景2的所有成本成分中的捕获成本最低。比较情景2和4，材料成本的差异主要是由于情景4中需要额外采购吸收柱的成本。在能源成本方面，差异可以解释为情景4的运行时间较长，因为需要单独进行电解和柱吸收，导致额外的劳动力和能源成本：情景2运行1.08小时，而情景4运行2.3小时。总体而言，不同地区的排放、能源成本和劳动力成本的变化导致了捕获情景的净捕获成本差异。在基础能源来源下，情景2的最低捕获成本为每千克二氧化碳0.84欧元，相对于基于胺的捕获过程和欧盟平均碳价格（分别为每千克二氧化碳0.055欧元和0.072欧元）较高。然而，值得注意的是，所研究的流程（情景2和4）的技术成熟度较低（TRL4）。作为新兴解决方案，这些流程仍在优化和规模化示范阶段，通常由于规模经济有限、实验性组件配置和供应链不够成熟而表现出较高的单位成本。一般而言，低TRL技术在早期开发阶段成本较高，通过优化、工艺整合和工业规模化可以实现成本降低。值得注意的是，虽然将系统边界扩展到包括副产品（H2、Cl2和Na2CO3）的商业化可以带来潜在收入，但这种收入可能受到市场波动和物流限制等因素的影响。在假设的平均市场价格下，情景2和4产生的收入为每千克二氧化碳1.06欧元，而情景5产生的收入为0.96欧元，从而抵消了捕获成本，使得情景2在基础能源来源下的净捕获成本显著降低。然而，这些产品的市场价格波动可能在平衡中带来不确定性。此外，在分布式、小规模应用中实现这些价值可能受到实际限制的影响，例如氢气的价值化可能取决于当地储存、压缩或利用基础设施的可用性。同样，氯气的商业化在小规模生产中可能面临与储存、运输和安全要求相关的物流挑战。因此，假设的副产品收入应被视为理论最大值，实施的经济可行性可能取决于特定地点的基础设施和监管条件。

本研究全面评估了将基于电化学的二氧化碳捕获单元集成到葡萄酒厂中的情况，并通过基于情景的LCA建模评估了其环境性能。该研究表明，基于氯碱电化学过程的EDEN技术能够以可持续且经济高效的方式捕获工业过程中的二氧化碳排放，为减缓气候变化提供了一种有前景的技术。实验结果还凸显了所设计系统（EDEN?技术）的多功能性：它能将低浓度废盐水转化为氢气和氯气，同时以碳酸钠或碳酸氢钠的形式固定二氧化碳。在二氧化碳捕获能力方面，该技术在研究条件下表现出较高的捕获效率。此外，该技术在直接从葡萄酒发酵过程中捕获二氧化碳方面的效率与其吸收纯二氧化碳的效率相当，这表明该技术可在实际碳捕获过程中得到应用。

环境评估和经济分析模型模拟了四种EDEN?技术方案，并将其与第五种方案（使用商用NaOH的柱吸收法）进行了对比。根据研究假设，基于EDEN的技术方案在低甚至零捕获成本的情况下都能实现净碳减排。其中，方案2被证明是最合适的实施路径，在所有评估类别中均表现出最低的影响。该技术的碳减排潜力取决于其与可再生能源的结合程度，以及能否有效地回收和商业化产生的氢气、氯气和碳酸钠。捕获成本受到排放成本的影响较大，而排放成本又与电力来源的碳强度直接相关。产品（H2、Cl2和Na2CO3）的商业化有望将捕获成本降至净零或负值。

这些结果为所提出的电化学二氧化碳捕获系统的可持续性能及其在工业脱碳方面的潜力提供了宝贵的见解。因此，未来的工作应从实验室规模的概念验证转向有针对性的优化和验证：通过改进电池和工艺设计来降低特定能耗，并筛选/开发更耐用、影响更小的电极和催化剂材料，以减少整个生命周期的负担。本研究的发现强调了在葡萄酒酿造等工业过程中整合电化学二氧化碳捕获技术的巨大气候缓解潜力。通过将二氧化碳捕获与有价值的化学品和氢气的联产相结合，EDEN?技术展示了实现环境和经济上可行脱碳的途径。此外，该技术能够高效捕获纯二氧化碳和发酵过程中产生的二氧化碳，表明其应用范围可以扩展到其他面临类似生物源或工艺相关排放的产业。这使EDEN?成为向低碳工业系统转型过程中一种可扩展且多用途的解决方案。

**利益冲突**
本研究不存在需要声明的利益冲突。

**数据可用性**
支持本研究结果的数据使用SimaPro 10.1.0.6软件生成。相关数据已作为补充信息（SI）的一部分包含在论文中。补充信息：表S1和S2。详见DOI：https://doi.org/10.1039/d6gc00309e。如有需要，可从相应作者处获取支持本研究结果的任何其他原始数据或背景计算资料。

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