《RSC Advances》：A critical review of absorption-driven CO2 capture and techno-economic feasibilityOpen Access
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快速工业扩张与持续人口增长加剧了全球环境问题，尤其是加速气候变化的温室气体（GHG）排放浓度不断上升。应对这些挑战需要实施可持续的大规模减缓策略，其中碳捕集技术已成为减少大气CO?排放的重要途径。在现有捕集技术中，基于吸收的系统因其高处理能力、运行可靠性和跨多
快速工业扩张与持续人口增长加剧了全球环境问题，尤其是加速气候变化的温室气体（GHG）排放浓度不断上升。应对这些挑战需要实施可持续的大规模减缓策略，其中碳捕集技术已成为减少大气CO?排放的重要途径。在现有捕集技术中，基于吸收的系统因其高处理能力、运行可靠性和跨多样化工业应用的适应性，仍是最成熟且被广泛采用的技术。本综述批判性地考察了CO?捕集技术的最新进展，主要侧重于基于吸收的工艺。通过比较溶剂选择策略、再生能耗需求以及与工业实施相关的关键经济指标，本综述批判性地评估了基于吸收的CO?捕集的技术经济可行性。此外，本综述将吸收工艺与其他分离技术进行了比较，突出了其优势、局限性及工业相关性。特别关注了溶剂开发的最新创新，包括传统水性胺类溶剂、相变溶剂以及新兴的深共晶溶剂（DES），这些溶剂已展现出改进的捕集性能和增强的工艺可持续性。最后，本综述指出了与基于吸收的CO?捕集相关的主要技术和经济挑战，并提出了提高效率、降低运行成本以及支持大规模工业部署的战略方向。
1 引言
温室气体（GHGs），尤其是二氧化碳（CO?），在过去几十年中已升至前所未有的水平，加剧了环境退化并引发全球尺度的气候变化。全球平均地表温度较工业化前基线已上升约1.3–1.5 °C，大气CO?浓度自前工业化时代以来已增加超过50%，从约280 ppm升至2025–2026年的430 ppm以上。能源相关的CO?排放量在2024年达到创纪录的约37.8 Gt。碳捕集、利用与封存（CCUS）被认为是过渡阶段可行的减排解决方案，据国际能源署（IEA）预测，碳捕集与封存（CCS）到2050年可贡献约20%的温室气体减排量。碳捕集技术大致分为三类：燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集。燃烧后捕集包括从燃料燃烧后的烟气中去除CO?，可采用低温分离、膜分离、吸附、化学链以及物理和化学吸收等多种方法。吸收法因操作灵活性高且与多种工业装置兼容而被认为是最可靠和广泛使用的方法，但溶剂再生能耗高和溶剂降解仍是主要挑战。
2 CO?捕集技术综合调查
CO?分离的主要技术包括吸收、吸附、膜分离、微藻法和低温法。每种方法都有其特定的操作优势和局限性。吸附法具有高CO?纯度和低再生热等优点，但吸附剂成本高；低温法纯度高但能耗极大；微藻系统可将CO?转化为生物质但需大面积土地；膜法能耗低且结构紧凑但存在污染问题。相比之下，吸收法兼具高CO?纯度和技术成熟度，尽管存在再生能耗和溶剂降解的显著代价。该对比支持将吸收法作为本综述的重点，因其已规模化部署但仍需大量技术经济优化。
2.1 基于膜的CO?分离技术
膜分离因其相对较低的能耗、紧凑设计、模块化配置和易于与现有工业工艺集成而备受关注。传统聚合物膜因制造成本低、易加工和良好的机械柔性而商业开发最成熟，但受限于渗透性-选择性权衡和高压CO?下的塑化问题。混合基质膜（MMMs）通过将沸石、二氧化硅纳米颗粒或金属有机框架（MOFs）等无机填料掺入聚合物基体以同时提高渗透性和选择性，但界面相容性差、填料团聚和缺陷形成等问题限制了其实际性能。陶瓷膜具有优异的热稳定性和化学稳定性，而MOF基膜提供高度可调的孔结构和优异的CO?吸附特性。然而，膜污染和降解、需要高进料压力或多级膜阶段以达到高CO?回收率和纯度等问题，使膜系统在大规模应用中面临挑战。尽管膜分离技术具有多种操作优势，但与吸收法相比，其工业实施仍相对有限，大多数高性能膜系统仅在实验室或中试规模下评估。
2.2 低温CO?捕集与纯化技术
低温分离利用气体组分相变温度的差异实现高纯度CO?回收。该过程涉及将气体混合物冷却至极低温度，使CO?冷凝或升华成液态或固态，而其余气体保持气态。与吸收法不同，低温分离不需要化学溶剂，因此避免了溶剂降解、腐蚀和化学废物产生等问题。多种低温工艺构型已被开发以提高分离效率和降低能耗，包括传统低温精馏塔和填充床低温系统。填充床系统通过将CO?直接沉积在冷却的填充材料或换热器表面，并通过受控加热或变压周期性回收沉积的CO?。尽管低温分离在需要极高CO?纯度的应用中具有优势，但它仍是能耗最高的碳捕集技术之一，因为需要大量制冷负荷来达到并维持极低的操作温度。相关冷却基础设施大幅增加了资本投资和运行成本，使其对稀释的燃烧后烟气吸引力较低。
2.3 微藻可持续CO?捕集与利用途径
微藻碳捕集利用光合作用将CO?同化为细胞生物质，将温室气体转化为可再生资源。在培养过程中，富含CO?的气流被引入藻类培养物，溶解的无机碳通过光合途径被同化，产生碳水化合物、脂质、蛋白质和其他生物活性化合物，实现碳封存与生物质生产相结合。微藻CO?捕集效果取决于物种选择、光照强度、营养物可用性、CO?浓度、温度和反应器构型等多种操作参数。尽管具有环境优势，但大面积培养、高水需求、能耗密集的收获和脱水以及昂贵的下游加工大幅增加了运行成本，而生物质生产力对气候条件、季节性变化和培养污染敏感。大多数微藻系统仍处于实验室或中试规模，其可扩展性和经济可行性仍不确定。
2.4 基于吸附的CO?捕集技术
吸附法利用对CO?具有高物理化学亲和力的多孔固体材料，当气流与吸附剂接触时，CO?被选择性地吸附到材料表面，实现高效分离。活性炭、沸石和金属有机框架（MOFs）是最常用的吸附剂。吸附剂饱和后，可通过变温吸附（TSA）、变压吸附（PSA）或两者组合进行再生。吸附法CO?捕集的能耗相对较低，因为CO?分子与吸附剂表面之间的相互作用主要是弱的非共价相互作用。然而，大规模部署仍受限于吸附剂成本、对杂质和水分的敏感性以及复杂的TSA/PSA再生循环需求。传统胺类溶剂如MEA、DEA和MDEA仍是工业吸收法CO?捕集的支柱，但每种溶剂都有其独特的性能定位。MEA提供高捕集效率和成熟工艺设计，但再生能耗高且腐蚀性强；DEA和MDEA降低腐蚀或再生能耗，但动力学较慢。哌嗪促进胺、空间位阻胺、促进碳酸盐溶液、冷冻氨水、离子液体和AI设计溶剂等新型体系旨在提高循环负荷和降低再生能耗，但常引入沉淀、溶剂损失、高粘度或高材料成本等新挑战。
2.5 通过吸收过程进行CO?捕集
吸收法CO?捕集是基于将气态CO?选择性转移到对其具有高亲和力的液体介质中。分离在吸收塔等接触设备中实现，气体自下而上流动而溶剂逆向流动，浓度梯度驱动CO?分子扩散进入液体。富含CO?的溶剂随后被泵送至再生单元，通过热能逆转吸收过程，释放浓缩的CO?气流，溶剂恢复工作状态并循环回吸收器。吸收技术因其高选择性和高吸收量而被认为是先进的CO?捕集方法之一，特别适合大规模应用。然而，溶剂再生的高能耗是主要问题，可占总工艺能耗的很大部分。此外，设备腐蚀、溶剂毒性和高吸收剂成本等操作挑战也限制了其广泛实施。吸收剂稳定性也是关注点，因为长期运行中降解和蒸发损失可能导致性能下降，需要更多维护。这些降解途径在实验室研究中常被低估，导致中试性能与实际工业运行之间存在差异。
