源自固体废物的生物炭：一种有效的添加剂，可增强二氧化碳（CO?）的吸收能力、抑制氨气（NH?）的逸出，并在低温氨溶液环境中节约能源

《Journal of Cleaner Production》：Solid waste-derived biochar: An effective additive for enhancing CO 2 absorption, suppressing NH 3 slip, and saving energy in mild-temperature ammonia solutions

　　

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  在基于氨的二氧化碳（CO₂）捕获系统中加入了一种有效的生物炭添加剂。
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  改进后的系统使二氧化碳的吸收率提高了5.82%，同时氮氢化合物（NH₃）的滑漏率降低了79.54%。
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  介孔体积和季氮基团有助于提高二氧化碳的吸收能力和氮氢化合物的滞留效果。
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  添加生物炭后，每捕获1吨二氧化碳（CO₂）所产生的能量损失可能减少0.010–0.138吉焦（GJ）。
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  生物炭与氨水（NH₄HCO₃）的混合物在作为农业肥料方面具有巨大的潜力。

引言

气候变化的紧迫性和全球能源危机凸显了资源回收系统以及二氧化碳捕获、利用和储存（CCUS）的必要性。作为世界上最大的温室气体（GHGs）排放国和主要的能源消费国，中国已承诺在2030年前达到二氧化碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和（Wu等人，2024年；Song等人，2026年）。化石燃料的燃烧和城市固体废物的处理产生了大量的温室气体排放，给环境带来了巨大压力。2020年，电力领域占总二氧化碳排放量的43.1%，因此成为中国能源转型和脱碳工作的关键领域（Liu和Huo，2024年；Wei等人，2025年）。因此，深度脱碳过程对未来能源领域的排放有着决定性的影响，并将对全国总排放量产生深远的影响。

燃烧后碳捕获被认为是减少电厂二氧化碳排放的关键技术。在现有的方法中，水性氨吸收因具有较高的二氧化碳去除能力、较低的再生能耗、较低的腐蚀性和成本而受到广泛关注（Yu，2018年）。与传统的MEA（甲醇胺）工艺相比，基于氨的捕获方法显示出更低的能耗（Zhai等人，2018年）。此外，水性氨还可以同时去除多种污染物，包括氮氧化物（NO_X）和硫氧化物（SO_X），并产生高价值的副产品，如硫酸铵和硝酸铵，可用于农业（Ahmad等人，2026年）。尽管有这些优势，但其大规模应用仍受到二氧化碳吸收速率慢和氨逸出严重问题的限制。为了解决氨的损失，冷却氨工艺（CAP）在0–10°C的温度下运行（Yu，2018年）；然而，这会显著增加能耗。另一种由CSIRO开发的低温氨捕获技术则在20–30°C的温度下运行，但存在氨挥发率高的问题（Li等人，2016年）。需要一个氨回收单元，包括一个洗涤柱来回收挥发的氨（Li等人，2015年）。过量的氨逸出会增加洗涤水的消耗和洗涤柱的尺寸，从而提高资本和运营成本。因此，开发简单有效的工艺强化策略，以同时提高二氧化碳的吸收率、抑制氨逸出并降低能耗，对于基于氨的二氧化碳捕获技术的大规模应用至关重要。

水性氨中的二氧化碳吸收率主要受液相阻力的控制（Zeng等人，2011年）。一种有效的策略是将分散颗粒引入吸收剂中（Cheng等人，2020年；Li等人，2023b年）。这些颗粒通过多相碰撞产生微湍流，破坏边界层并增强界面混合，从而减小扩散层的厚度。包括金属氧化物、非金属纳米颗粒和碳基材料在内的固体颗粒在强化传质方面受到了广泛关注。Rahmatmand等人（2016年）证明，在水和胺溶液中分散SiO₂、Al₂O₃、Fe₃O₄和CNT纳米颗粒可以显著提高二氧化碳的吸收能力。类似地，Q. Zhang等人（2020年）发现，在水性氨溶液中添加0.3克/升的Fe₃O₄纳米颗粒可以将总体积传质系数提高14.5%。Lee等人（2016年）进一步研究指出，纳米颗粒通过气泡破裂、穿梭效应和流体动力效应增强了传质，其中SiO₂/甲醇纳米吸附剂的吸收率比甲醇高出8%。然而，这些材料通常受到高生产成本、复杂的合成过程和困难的后分离步骤的限制。因此，迫切需要开发低成本、环境友好的功能性添加剂。

由固体废物热解产生的生物炭被广泛认为是一种优秀的二氧化碳吸附材料，因为它具有高比表面积、发达的多孔结构和丰富的表面官能团。最近，人们越来越关注将其作为功能添加剂用于增强化学吸收剂中的二氧化碳吸收。例如，Khoshraftar和Ghaemi（2022年）报告称，从废弃核桃壳中提取的活性炭在5.19巴的压力下将二氧化碳的负载能力提高到了0.531摩尔二氧化碳/摩尔MEA。同样，J. Zhang等人（2025年）使用掺氮的椰子壳活性炭作为MEA溶液中的催化剂，使二氧化碳的吸收能力、吸收速率和效率分别提高了16.9%、43.4%和13.1%。此外，Feng等人（2021年）通过分子动力学（MD）和量子化学模拟证明，生物炭的介孔结构和含氮官能团有助于在气-固条件下吸附二氧化碳和氮氢化合物。他们的后续实验研究表明，与在氨溶液中添加SiO₂相比，稻壳衍生生物炭使体积传质系数提高了15.3%（Feng等人，2023年）。尽管取得了这些进展，但在实际的气-液温和温度条件下，废物衍生生物炭在同时增强二氧化碳吸收和抑制氨逸出方面的协同效应仍大多未被探索。

在之前的研究中，从纺织染料污泥（TDS）和玉米芯中提取的生物炭表现出发达的多孔结构、高比表面积以及128.1毫克/克的二氧化碳吸附能力（Pan等人，2025年）。基于这些发现，本研究旨在开发一种低成本的生物炭添加剂，以用于基于氨的二氧化碳捕获，从而在温和温度条件下同时提高二氧化碳的吸收率和抑制氨逸出，从而减少冷却需求并改善工艺性能。具体目标包括：（i）探讨在不同热解温度下制备的生物炭样品的物理化学性质及其对二氧化碳吸收和氨逸出的影响；（ii）系统评估关键操作参数和颗粒大小的影响；（iii）建立生物炭的物理化学性质与其性能之间的相关性，估算节能效益，并提出潜在的机制。本研究的结果为固体废物的Valorization和高效增强基于氨的二氧化碳捕获提供了理论支持和实际指导。

章节片段

材料和化学品

纺织染料污泥（TDS）来自中国浙江省的一家污泥焚烧厂，而玉米芯则来自中国江苏省的一家制造商。用作活化剂的K₂CO₃购自中国北京标准光谱检测技术有限公司。水性氨（质量分数25–28%）由中国 Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. 提供。高纯度二氧化碳（99.9%体积）和氮气（99.99%体积）由中国杭州晶工特种气体有限公司提供。所有化学品...

生物炭的特性

图2展示了所有生物炭样品的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示出典型的非晶碳结构，这与XRD图谱（文本S4中的图S2）一致。SC900表现出微晶石墨结构，其孔隙度较低，这一点也通过拉曼光谱（文本S5中的图S3）得到了证实。这种差异归因于骨架碳从非晶芳香结构逐步转变为共轭芳香结构，最终形成石墨碳...

结论

本研究开发了一种有效的生物炭添加剂，以增强二氧化碳的吸收能力，抑制氮氢化合物的逸出，并在温和温度条件下实现高效运行。

在所有样品中，SC800在二氧化碳吸收和氮氢化合物逸出抑制方面表现最佳。在优化条件下（14%体积二氧化碳、15.5%重量百分比的水性氨和0.005%重量百分比的SC800），二氧化碳的吸收率提高了3.88%–5.82%，而氨的逸出率减少了46.52%–79.54%。

CRediT作者贡献声明

Yu Pan：撰写——原始草案、方法论、数据分析、概念化。Longjie Yu：撰写——审稿与编辑、资源管理、数据分析。Jiahui Lei：撰写——审稿与编辑、实验研究。Zehuang Zhang：资源管理、实验研究。Jianlong Jin：资源管理、实验研究。Qunxing Huang：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金争取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

浙江省重点研发计划资助。

Yu Pan|Longjie Yu|Jiahui Lei|Zehuang Zhang|Jianlong Jin|Qunxing Huang