从空气中协同收集水和二氧化碳：制冷集成膜直接空气捕获工艺的技术经济分析

《Chemical Engineering Research and Design》：Co-harvesting water and CO 2 from air: Techno-economic analysis of a refrigeration-integrated membrane DAC process

　　

**摘要**

大气CO?浓度已超过400 ppm，同时全球淡水短缺问题持续加剧，这促使人们开发能够同时从空气中收集水分和去除CO?的集成技术。本研究提出了一种集成制冷式大气集水（AWH）与多级膜直接空气捕集（DAC）工艺，并使用Aspen Plus配合Aspen Custom Modeler进行模拟。所开发的膜模型与基准数据进行了验证，相对误差低于5%，表明所有膜阶段均表现出令人满意的一致性。参数分析研究了压力比、阶段截留率、进口压力、温度、相对湿度和进料CO?浓度对CO?富集、膜面积、能耗和工艺经济性的影响。优化后的多级膜系统实现了高达70 mol%的CO?富集，而制冷式AWH单元的比能耗约为5.4 MJ/kg H?O。技术经济分析表明，CO?捕集的水平化成本主要由工艺规模和进料CO?浓度决定，在大气条件下（400 ppm CO?）最大工艺容量下达到约4055美元/t CO?。同样，水的水平化成本随着工厂容量的增加从约199–0.20美元/m3降低，而较高的相对湿度显著改善了AWH工艺的经济性能。总体而言，所提出的集成AWH-DAC框架确定了同时生产水和基于膜的碳捕集的高杠杆操作条件，为未来针对特定气候条件的部署和技术经济优化提供了工艺层面的基础。

**引言**

大气中二氧化碳（CO?）浓度现已超过400 ppm（百万分之400），相比工业化前约280 ppm的水平，增幅接近50%。大气CO?浓度的上升与人类活动密切相关，主要是燃烧过程，并直接导致全球气温上升约1.5°C，引发严重的气候影响，如干旱加剧、热浪和强降水事件（Badger等, 2024; Erans等, 2022）。鉴于这一风险，《巴黎协定》承诺将全球变暖幅度限制在比工业化前水平低2°C以内，并力争将升温控制在1.5°C以内。要达成这些气候目标，需要通过碳捕集与封存（CCS）策略（包括直接空气捕集（DAC）技术）利用负排放技术（NET）来减少温室气体（GHG）排放（Zhao等, 2010）。DAC技术于1999年由Lackner首次提出，此后已发展成为一种可行的降低大气CO?浓度的方法。当与其他所有形式的温室气体减排措施结合使用时，它可以作为净负排放的形式。虽然许多形式的温室气体排放通过间接手段（例如燃料替代；提高能源效率）得到减少，但DAC是直接从大气中去除CO?的方式。这使其在全球气候减缓努力中特别具有吸引力（Kriegler等, 2017; Lackner等, 1999; Momeni等, 2024）。DAC利用CO?与捕集材料之间的化学或物理反应。这些捕集材料随后被再生，产生浓缩的CO?流用于封存或利用。由于大气中CO?极其稀薄（约400 ppm），DAC被认为是能耗密集的进程。因此，大多数近期研究都专注于提高捕集效率、降低再生能耗并最终降低与DAC相关的成本（Jiang等, 2023; Marini?和Likozar, 2023; Stampi-Bombelli等, 2022）。DAC的主要分类包括固体吸附系统和液体溶剂系统。固体吸附系统采用各种多孔材料，如胺功能化氧化物、聚合物树脂和金属有机框架（MOFs）。在常温常压下，它们吸附CO?。在热再生或变真空吸附再生的作用下，被吸附的CO?被释放。这些材料较低的比热容使其能够使用低品位或可再生热源高效再生。例如，胺接枝吸附剂在环境CO?浓度下已达到1.2–2.0 mmol/g的CO?负载值。然而，由于其高度反应性的表面化学，胺接枝吸附剂容易受到氧化降解、水分损害和长期稳定性问题的影响。下一代MOF如Mg-MOF-74和MIL-101(Cr)-NH?被证明具有可控的孔隙率和优异的循环稳定性，使得再生能耗低于2.5 GJ/t-CO?。基于液体的DAC系统使用与CO?反应的水溶液或离子液体溶液（Abdullatif等, 2023; Zentou等, 2025）。使用NaOH或KOH的碱性氢氧化物工艺捕集CO?形成碳酸盐或碳酸氢盐中间体，然后在800–900°C下进行热再生。这种方法支撑了大规模氢氧化物循环工艺（Keith等, 2018; Sun等, 2023）。胺基溶剂如单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和甲基二乙醇胺（MDEA）在较低的再生温度下运行（80–120°C），并具有良好的动力学性能，但它们存在氧化降解、蒸发损失和热稳定盐形成的问题（Brooks等, 2024）。新兴的混合溶剂系统将深共晶溶剂（DES）或离子液体（IL）与胺或碱性组分结合，以降低挥发性和提高稳定性。例如，氯化胆碱-尿素DES混合物与胺结合，在环境条件下表现出更好的可回收性和CO?吸收能力（Zhang等, 2025）。电化学溶剂再生代表了另一项有前景的发展，使用氧化还原反应而非热能来实现CO?脱附，从而可能降低总能耗（Zhang等, 2024）。

尽管近年来取得了快速进展，DAC仍受到其高能耗需求的制约，通常从5到10 GJ/t CO?不等，具体取决于配置和再生策略。因此，大规模部署将取决于与可再生或低碳能源源的耦合，以实现净负排放。技术经济评估估计当前DAC成本为每吨CO? 600–1000美元，虽然与余热或可再生能源系统集成后，未来可将成本降低到每吨CO? 200美元以下（Prats-Salvado等, 2024）。

膜技术提供了一种合适的替代方案，其中基于膜的碳捕集已被引入作为传统吸附方法的有吸引力替代品。膜系统通常比胺基吸收过程消耗约40%更少的能量，特别是在CO?浓度较高时，同时相对简单、模块化、无化学品且成本效益高（Sungsook和Rohitatisha Srinophakun, 2024; Zach等, 2022）。膜技术的最新进展表明，通过将膜厚度降低到纳米尺度可以实现极高的CO?渗透性，尽管大气CO?分压很低（~40 Pa），但显著提高了基于膜的DAC系统的可行性（Castro-Mu?oz等, 2022; Fan等, 2025; Fujikawa等, 2021; Lackner等, 1999; Li等, 2023; Martínez-Visus等, 2025）。模拟研究表明，多级膜过程可以高效地以较低的相关能耗和成本实现负排放（Fujikawa等, 2021）。

提高DAC潜力的另一种方法是将其与现有技术集成，如供暖、通风和空调（HVAC）系统。HVAC系统已经处理大量空气，通常室内CO?浓度较高。这使得更有效地去除CO?成为可能（Han等, 2016; Hu等, 2016; Kim和Leibundgut, 2015; Lee等, 2015; Sodiq等, 2023）。研究表明，在拥挤的建筑物或办公室内，CO?水平远高于室外。因此，这些环境是理想的使用DAC的位置（Kim和Leibundgut, 2015; López等, 2024）。将DAC与通过HVAC系统从大气中收集水分的技术相结合，也提供了显著的环境优势以及实际优势，特别是在面临水资源短缺的地区。在沙特阿拉伯等炎热气候条件下，在HVAC系统的冷却盘管上凝结大气水分，既可以提供淡水，也可以从处理的空气中提取CO?（Al-Farayedhi等, 2014; Khalil, 1993; Tu和Hwang, 2020）。将DAC与水分收集相结合的系统可以成为同时面临水资源短缺和气候减缓挑战地区的重要新技术。尽管DAC技术目前与传统碳捕集与封存（CCS）技术相比相对能耗高且成本高，但当DAC与其他技术（即先进膜、HVAC系统和水分收集）结合时，其潜力大大增加，这些技术可以提高效率、减少能源需求并使它们在财务上可行（Baker等, 2018; Castro-Mu?oz等, 2022; Fujikawa等, 2021; Hou等, 2025; Lackner等, 1999）。

AWH在缓解全球淡水短缺问题方面变得越来越重要，特别是在干旱和半干旱地区。AWH技术从大气中提取天然存在的水蒸气，可以根据不同的物理原理分为三种主要形式：基于吸附的、基于雾收集和基于冷凝的。第一种AWH利用固体或液体吸附剂捕获不饱和空气中存在的水蒸气，即使在非常低的相对湿度下也能成功运行。包括硅胶、沸石、吸湿聚合物和金属有机框架（MOFs）在内的固体吸附剂引起了相当大的关注，主要是因为它们的高度多孔性和可调的亲水性。包括MOF-303和MOF-801在内的MOF基材料在10% RH和27°C下展示了约0.7 L/kg/天的最大摄取能力（Ahrestani等, 2023）；而被动式太阳能驱动的MOF装置能够在沙漠条件下自主收集210–285 g H?O/kg/天（Yang等, 2025）。物理分离的混合吸附剂架构将生产率提高到约5.5 kg/m2/天（35% RH）和更高湿度下近17 kg/m2/天（Gao等, 2024）。虽然采用LiCl或CaCl?盐溶液的液体吸收剂允许连续操作，但它们存在腐蚀和泄漏问题。将盐嵌入聚合物基质中改善了它们的再生效率和化学稳定性（Hoogendoorn等, 2024）。因此，基于吸附的方法为干旱气候提供了良好的前景；然而，仍有提高再生能耗和规模化的机会。相比之下，雾收集方法使用网状或纤维状表面被动收集悬浮在雾中的水滴。典型的水产量取决于雾密度、风速和表面几何形状，范围为10–20 kg/m2/天（Tashtoush和Alshoubaki, 2023）。雾收集方法已在世界各地各种有雾的沿海和山区得到证明；然而，这种方法的地理适用性有限（Gunarasan和Lee, 2025）。基于冷凝的系统通过将空气冷却到露点以下运行，使水蒸气凝结成液态水。商业成熟的蒸气压缩、热电和辐射冷却技术构成了AWH产品的大部分。通常商业化的AWH系统在有利条件下产生约20–30 kg/天；每千克H?O消耗的能源范围为220到300 Wh/kg（Wang等, 2025）。由于冷却负荷需求增加，在较低湿度下性能急剧下降。近期研究建议创建将冷凝单元与HVAC系统、太阳能辅助制冷或余热回收相结合的混合系统（Wang等, 2024）。在这种配置中，冷却盘管不仅除湿以回收水，还预处理空气以供下游处理如DAC使用。这种协同作用使同时回收水和去除CO?成为可能，从而提高了两个过程的能源效率。

尽管在DAC材料和AWH技术方面取得了一些进展，但科学文献中缺乏对基于膜的DAC-AWH混合体性能、能源效率和可扩展性的综合评估。因此，通过使用每个组件的计算模型研究涉及DAC与AWH和先进膜技术的新颖混合策略代表了一个令人兴奋的研究机会。集成AWH-DAC方法可能会加速DAC的实际应用，并有效促进实现国际气候变化目标以及克服更广泛的可持续性挑战。本研究探索了一种采用Aspen Plus工艺模拟工具配合在Aspen Custom Modeler（ACM）中开发定制膜模型的新型集成AWH-DAC设计。水收集模块产生家庭用途的淡水，同时降低送往DAC模块的气流的相对湿度。膜-DAC模块随后从干燥的气流中选择性地去除和浓缩CO?。随后进行参数分析、性能分析和技术经济评估，以评估操作参数变化如何影响系统效能、能源需求、所需膜表面积和捕集成本。

**工艺片段**

**工艺设计**

AWH和DAC工艺的模拟使用Aspen Plus V14流程图软件进行，采用Peng-Robinson状态方程作为热力学模型。

膜组件最初在Aspen Custom Modeler中进行开发和参数化设定，随后将该模块作为用户自定义单元操作集成到Aspen Plus中，用于CO?分离过程的全系统模拟。对于其余工艺组件，如压缩机、膨胀机和热模型验证方面，在进行工艺优化之前，为确保模拟框架的可靠性，模型在四种不同的操作条件下与先前发表的参考数据进行了对比验证，所用规格如表2所示（Fujikawa等，2021年）。在所有验证案例中，入口二氧化碳浓度固定为400 ppm，而压比（PR）则进行系统性变化。在每个验证场景中，压比在各级之间保持恒定。局限性与未来工作本研究采用稳态表示方法描述该过程，其中包括对膜和制冷子系统的简化表征。这些简化表征提供了足够的细节，以便在工艺层面评估集成系统，但不足以全面探索集成系统的复杂性。第一项简化是对膜单元假设为等温集总参数模块进行建模。结论本工作开发并验证了一个基于Aspen的CO?分离膜模型，与参考数据达到了良好的一致性。经验证的模型被应用于评估关键工艺变量。压比和级切分的变化提高了CO?富集效果并减少了膜面积需求，但增加了能耗；而入口压力的变化表明，进料压力在很大程度上决定了总能耗，尤其是在第一级。技术经济评估CRediT作者贡献声明Umer Zahid：撰写—原始草稿、资源、方法学、调查研究、形式分析、概念化。Gheorghe Falca：撰写—原始草稿、可视化、软件、方法学。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。致谢作者感谢阿卜杜勒阿齐兹国王科技大学（KFUPM）研究监督与协调委员会（DROC）通过项目INMW2501对本研究提供的资金支持。Gheorghe Falca|Umer Zahid，膜与水安全跨学科研究中心，阿卜杜勒阿齐兹国王科技大学，沙特阿拉伯达兰31261。