固體吸附劑捕集CO2的研究進展

江 濤，魏小娟，王勝平，馬新賓

(1.天津大學 化工學院，天津 300072;2.天津大學 綠色合成與轉化教育部重點實驗室，天津 300072)

0 引 言

全球變暖是世界各國共同關注的熱點問題，溫室氣體的大量排放是導致這一現象的主要原因之一。而對于溫室氣體主要成分之一的CO2，控制其排放至關重要[1]。CO2的捕集、利用與存儲(CCUS)是減少碳排放的有效技術之一，得到了越來越多的關注[2-3]。此技術可將工業過程如水泥工業、鋼鐵工業、燃煤電廠、化工企業等排放的CO2進行分離脫除。一方面CO2捕集后可將其投入到其他生產過程；另一方面可將捕集的CO2輸送到油田、海洋等地點進行封存，以待循環再利用。該技術有利于降低CO2大規模排放，被認為是緩解氣候變化所致環境問題的比較經濟可行的辦法。

目前全球共有51個大型一體化CCUS項目，其中18個商運階段的項目可實現4 500萬t CO2捕集規模，在建的5個項目預計具有1 030萬～1 140萬t的CO2捕集潛力。加拿大邊界大壩(Boundary Dam)項目是全球首個燃煤電廠百萬噸級燃燒后CO2捕集與封存項目，2014年10月建成，自運行以來已累計捕集CO2達415萬t，CO2純度可達99%。美國佩特拉諾瓦(Petra Nova)項目屬全球最大的燃煤電廠煙氣CO2捕集與封存商業項目，總體投資約10.4億美元，2017年10月啟動，在運行10個月后累計捕集100萬t CO2，單位捕集能耗約2.4 GJ/t(以CO2計，下同)，捕集成本為55～60美元/t。挪威富騰垃圾發電廠項目是全球首個垃圾發電CO2捕集與封存商業項目，設計年捕集40萬t CO2，捕集率95%，2020年5月完成前端工程設計。我國已建成35個CCUS示范項目，捕集能力超過300萬t/a，2017—2019年累計CO2封存量約為200萬t。2008年7月，中國首個CO2捕集裝置(3 000 t/a)在華能北京熱電廠投入運行，該裝置由華能獨立設計和建造，捕集的CO2實現了資源化利用。2020年，華能研制出我國首臺1 000 t/a“相變”碳捕集工業裝置，在華能長春熱電廠實現連續穩定運行。兩相碳捕獲技術屬于新一代的碳捕集技術，有效解決傳統方法中加熱所有CO2吸收液引起的高能耗問題，可以大大減少CO2捕集成本，能耗≤2.3 GJ/t。

CCUS技術中，對于CO2的分離脫除措施一般可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集以及富氧燃燒捕集[4]。我國自2010年以來，每年約70%的電量都來自于燃煤發電，由此導致CO2排放量長期居高不下。相較于另外2種碳捕集方法，燃燒后捕集技術工藝成熟、應用較廣泛，適用于大多數火力發電廠、合成燃料廠和石化天然氣處理廠等，實際應用意義較大。常規CO2燃燒后捕集技術分為吸附分離法、吸收分離法、膜分離法、低溫蒸餾法等。

固體吸附劑作為CO2捕集材料之一，成為時下的研究熱點[5]。優點在于其工作溫度范圍相對較廣(室溫～900 ℃)，且在循環利用流程中產生的廢棄物較少，使用過的吸附材料易處理，對環境危害相對較小。特別是對于燃煤電廠排放的高溫煙氣來說，可使用高溫固體吸附材料直接進行CO2的捕集，而無須對高溫氣體進行冷卻降溫處理，能夠避免能量損失，最終達到節省能源、降低生產成本的目的。根據反應機理的差異，可將固體吸附劑分為物理吸附劑和化學吸附劑。另外，依據CO2捕集時的工作溫度區別，又將其歸類為低溫吸附劑(<200 ℃)、中溫吸附劑(200～400 ℃)及高溫吸附劑(>400 ℃)[6]。

1 低溫固體吸附劑

1.1 固體胺吸附劑

傳統的通過胺水溶液吸附和汽提去除煙氣中CO2的方法存在腐蝕性強、工藝設備去污難和再生能耗高等一系列固有的問題，為了避免上述問題，眾多學者對有機胺負載在某些載體材料上的固體吸附劑進行了深入研究，與胺水溶液相比，這些固體吸附劑通常具有成本低、氣體回收壓力低和再生能耗低等特點[7]。固體胺吸附劑通常在低CO2分壓(0.010～0.015 MPa)、低再生溫度(<100 ℃)條件下仍可表現出較高的吸附容量，對設備腐蝕性較低。固體胺基吸附劑上的氨基基團可與CO2分子相互作用，生成氨基甲酸、氨基甲酸酯和碳酸氫鹽等，從而實現對CO2的捕集。吸附物種的物理化學性質受到胺負載量、胺種類、胺位密度以及胺分子大小的影響。將胺負載到載體上的方法通常包括物理浸漬法、化學接枝法和原位聚合法等。DUTCHER等[7]總結了部分文獻中固體胺基吸附劑的CO2平衡吸附容量，見表1。此技術的吸附動力學對于吸附劑的設計研發、反應器的設計開發以及工藝優化具有重大意義。固體胺基材料吸附CO2通常包含4個速率控制步驟，包括：① CO2從氣相到吸附劑顆粒表面的外擴散過程；② CO2在吸附劑顆?？椎赖膬葦U散過程，③ 通過與吸附位點的物理或化學相互作用在表面吸附CO2；④ CO2通過胺/產物層的擴散過程。國內外科研工作者針對胺吸附CO2的動力學過程建立了各類吸附模型，如孔擴散模型、半經驗模型、顆粒尺度動力學吸附模型、縮核模型、固體擴散模型和兩階段模型等[8]。

表1 一些固體胺基吸附劑在干燥條件下的CO2平衡吸附容量[7]

CHOI等[9]通過環境大氣模擬(400×10-6CO2)以及仿照火電廠煙氣(10% CO2)的氣體環境來探究負載型固體胺吸附材料的CO2吸附效率。在CO2濃度降低至原來的1/250后，負載SiO2的胺基吸附劑的CO2吸附性能并無明顯變化。聚合胺的共價結合使其在CO2吸附/脫附過程中顯示出良好的循環再生性能。DRIESSEN等[10]設計了一種多級流化床裝置并將其用于深度分離CO2，同時利用商業胺吸附劑(主鏈為聚苯乙烯，其中8%～10%為二乙烯基苯，且主鏈通過芐胺側基官能化)參與了一系列測試。結果證明該化學吸附路徑下胺基吸附材料表現出優異的表觀吸附動力學性能，在一個大氣壓下仍能達到3×10-6的CO2捕集效率(吸附條件：28～63 ℃，CO2物質的量分數為2.5×10-3～10.0×10-3，30 min；脫附條件：100 ℃、100% N2、14 min)。

1.2 碳基吸附劑

碳材料(碳納米管、活性炭及活性炭纖維等)是一類應用廣泛的吸附材料，其通常具有較高的比表面積、發達的孔隙結構及獨特的表面化學性質，可通過物理或化學手段引入有機基團來改善物化特性，是最適合作為分離/凈化吸附劑的材料之一[11]。但由于CO2在碳基材料表面的作用形式是物理吸附，吸附能力相對較弱，且對溫度較為敏感，導致CO2選擇性低。為進一步提高碳基吸附材料的CO2吸附量，研究者致力于通過探究吸附劑顆粒形狀和孔結構的定量影響、N摻雜、胺改性、氧化氟化等表面改性來調變合成碳基雜化材料。此外，通過在合成過程中調整前驅體材料與制備工藝，可調變吸附劑表面的親水性/疏水性位點，使其適用于潮濕環境下CO2的吸附分離。

碳基吸附材料的再活化可通過變溫吸附或變壓吸附來實現，即降壓或升溫[12]。如通過氣體受熱膨脹使CO2從吸附劑中脫附出來，隨后通過N2吹掃收集CO2。以往多數研究是將CO2平衡吸附容量視為評價碳基吸附劑吸附性能的指標，但從實際應用角度出發，證明工作容量更適用于衡量吸附劑的吸附性能，即在整個吸脫附循環(從低溫、低純氣氛到高溫、高純氣氛)過程中CO2的實際吸附量。如RAGANATI等[13]通過建模(分析CO2吸附等溫線)，在25～125 ℃及CO2分壓為5.07×103～1.52×104Pa的條件下，在流化床反應器中對一種市售活性炭進行了CO2工作容量的評價試驗。結果表明，升溫或減小CO2分壓會對吸附熱力學產生負面影響。YUE等[14]通過K2CO3活化、尿素改性及椰子殼碳化合成了多孔氮摻雜碳基吸附劑，在固定床測試試驗中分別于25 ℃和0 ℃、0.1 MPa條件下得到的CO2吸附量分別為3.7 mmol/g及5.1 mmol/g(脫附條件：100 ℃、100% N2、1 h)，在模擬煙氣條件下顯示出較高的動態CO2吸附能力。迄今為止，已將許多金屬氧化物 (包括NiO、CuO和MgO) 摻雜或負載在碳材料上，以進一步提高其CO2捕集能力，但效果有限，需進一步研究以擴大該類型材料的實際應用前景。

1.3 沸石類吸附劑

現如今，燃煤電廠作為CO2的集中排放源，降低碳排放量極其重要。排放的煙道氣以體積分數計算，最主要的煙氣成分是N2(70%～75%)，剩下為CO2(15%～16%)、H2O(5%～7%)和O2(3%～4%)，總壓強約為0.1 MPa，溫度為40～60 ℃[15]。在此壓力及溫度條件下，沸石類吸附劑可用作性能優良的固體吸附材料，其作為一種成本低廉、高度穩定性的多孔材料，通?？蓮V泛用于工業過程中的氣體分離[16]。部分沸石類材料在催化和氣體分離領域中的應用情況見表2。沸石作為一種三維高度有序且具有豐富孔道的結晶硅鋁酸鹽，具有均勻分布的孔徑尺寸，且內部形成相互聯結的孔道或呈籠型結構，有利于氣體分子的擴散。然而沸石的CO2吸附容量受溫度和壓力的影響較大，如升溫時其吸附性能會顯著降低。此外，氣流中存在的水蒸氣也會使其CO2吸附容量快速減小。一般來說沸石類材料通過較強的雙配位作用或離子-耦合作用來固定碳酸鹽物種，從而實現對CO2的捕集。

現階段，針對沸石類材料CO2吸附容量的提高主要通過以下3個方面實現：調節沸石框架的組成與結構、沸石材料的陽離子交換與沸石的純化。BORUBAN和NALBAN[18]通過使用浸漬法在Y型沸石上分別制備了球形(直徑約為18 nm)和針形(長度約450 nm)2種不同形貌的氧化銅(CuO)納米顆粒，并在自搭建的簡易玻璃柱反應器中進行了定量分析，證明了CuO納米顆粒在吸附劑表面形成的這2種形貌都有利于提高其CO2吸附性能。在0.1 MPa和298 K的條件下，與未進行形貌調控的Y型分子篩相比，球形與針形CuO納米粒子的結構使得對應的吸附材料的CO2吸附容量分別增加了86%和112%。MURGE等[19]以稻殼廢棄物為前驅體材料制備了四乙烯五胺改性的沸石基吸附材料，在吸附溫度30 ℃、硅鋁比2.25及模擬煙氣氣氛的條件下于固定床反應器中進行了CO2吸附性能測試，所制沸石樣品在常壓和0.5 MPa壓力下分別表現出每克吸附劑吸附114和190 mg的CO2吸附容量，經過20個循環操作后，CO2吸附容量僅下降了2.5%。

表2 沸石類材料在氣體分離和催化領域中的應用[17]

1.4 MOFs類吸附劑

金屬-有機框架(Metal Organic Frameworks，簡稱MOFs)材料的CO2捕集能力常與沸石類材料進行對比。MOFs材料是一類由有機橋聯配體和無機團簇組成的多孔晶體材料，其作為吸附劑可與CO2選擇性結合[20]。當MOFs中含有能與CO2氣體分子相互作用的不飽和金屬吸附位點(如不飽和的開放式金屬吸附位點、極性官能團及金屬團簇)時，其在低壓條件下即可表現出極強的CO2吸附性能。但該類材料存在局限性，表現為煙氣中存在的水分會在CO2捕集中產生競爭吸附，水的競爭吸附不但會降低MOFs吸附劑的工作效率，還會增加其再生能耗。此外，MOFs材料較低的水熱穩定性是限制其工業CO2捕集的另一個局限性。氣流中存在的水分會水解MOFs的配位鍵，并與CO2產生競爭吸附，導致CO2吸附性能下降。為了克服水分對MOFs材料分離CO2的消極影響，可在MOFs的納米孔道中增加胺基化學吸附位點來增強CO2/H2O的吸附選擇性。此外，還可通過賦予MOFs疏水性來減弱其與水之間的相互作用，以削弱水的競爭性吸附[21]。

通過將各類親CO2基團接枝到MOFs材料的孔表面可對其實現改性處理，如烷基胺的添加可有效極化MOFs框架表面。HU等[22]成功制備了不同烷基胺改性的MIL-101吸附劑樣品，胺基基團由于具備與CO2的強相互作用且難以與N2反應的特點，極大增強了其CO2吸附能力。在熱重分析儀測試中MIL-101-二乙烯三胺樣品表現出較強的CO2吸附性能、多循環穩定性以及對CO2/N2的超高選擇性。LI等[21]制備得到了2種Zr摻雜的納米MOFs吸附劑UiO-66和UiO-66-NH2，在自搭建填料塔中將其用于選擇性吸附分離模擬天然氣(CO2/CH4=10/90)和煙氣(CO2/N2=15/85)中的CO2。UiO-66-NH2納米材料具備較小的晶粒尺寸、豐富的缺陷位以及孔道內含有大量NH2基團，顯示出最佳的CO2/CH4與CO2/N2選擇性吸附性能，且在吸附過程中其對于CO2(0.32 eV)表現出優于CH4(0.2 eV)及N2(0.19 eV)的吸附能。與沸石類吸附劑相比，MOFs類吸附劑在高壓下具有較高的捕集容量，但在低壓條件下吸附性能較弱。由于MOFs具備良好的結構及熱穩定性，且具備CO2吸附的完全可逆性，所以能較好地應用于變壓吸附過程中。

1.5 聚合物類吸附劑

直接空氣捕集(Direct Air Capture，簡稱DAC)是實現CO2捕集的一種技術，聚合物類材料在該項技術中具備較強的應用潛力[23]。聚合物類吸附材料一般為富含微孔/介孔的有機物，高孔隙率、可調孔結構、良好的熱力學及動力學性能是其作為CO2吸附劑的優勢所在[24]。目前，用于捕集CO2的聚合物材料通常包括固有微孔及共軛微孔聚合物 (CMPs)、多孔性三聚氰胺甲醛 (MF)、多孔芳香框架聚合物 (PAFs)、超交聯聚合物 (HCPs)、具有共價三氮基框架的聚合物 (CTFs)以及共價有機聚合物 (COPs)等[25]。一方面可通過后修飾的方法引入新的功能化基團，如羧酸、羥基、金屬卟啉單元等提高這些材料對CO2的吸附活性與效率；另一方面可通過引入一些電負性、堿性分子或富氮基團，如三嗪類、咪唑類、亞胺類，提高其與CO2的相互作用，從而增強吸附性能。

1.6 其他低溫固體吸附劑

石墨/石墨烯類吸附材料的主要成分是碳的同素異形體，各類碳雜化類型的石墨烯以及石墨納米帶具備不同的化學活性[28]。如由sp2雜化碳原子構成的納米帶蜂窩晶格的表面具有化學惰性，存在未配對電子，故對于多層石墨烯納米，其化學活性大大加強。石墨不但與碳類吸附劑同樣具有相似的化學特性，生產成本也較低，因此大量的改性石墨/石墨烯類材料與石墨烯-無機雜化吸附劑被合成用作CO2吸附材料。

二氧化硅具有高比表面積、大孔容、孔徑分布均勻、再生穩定性好等優點，其主要用作載體、并通常引入胺基以捕獲CO2。因此，對硅基吸附劑的研究主要集中在制備不同類型的二氧化硅(硅粉、二氧化硅空心球、二氧化硅納米管、二氧化硅納米粒子、多孔硅泡沫、大孔二氧化硅、氣凝膠等)以及選擇合適的胺基[29]。由于載體占整個吸附劑制備成本的90%以上，因此探究性價比高及商業上可行的多孔二氧化硅材料成為研究熱點。

黏土是黏土礦物以及含有少量金屬氧化物與有機物的黏土礦物組合的總稱，主要由層狀硅酸鹽礦物構成，通常在礦物結構中保留了不同含量的水分。黏土作為固體吸附材料，具有制備成本低廉、高比表面積、高力學性能和化學穩定性、高再生性、高產量等優勢。近年來利用黏土材料進行CO2捕集引起了廣泛關注，現階段用于分離脫除CO2的黏土類吸附劑主要包含蒙脫石和膨潤土等材料[30]。

以Na2CO3和K2CO3作為代表的堿金屬碳酸鹽因具有高吸附量和低成本等優勢同樣可用于吸附分離CO2[31]。該類材料的吸附溫度通常在50～100 ℃，CO2脫附溫度通常在120～200 ℃。但是堿金屬碳酸鹽吸附劑的局限性在于其碳酸化反應速度較慢，且耐久性差，工作溫度易受限。學者們嘗試在活性炭、氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯、氧化鎂、金屬箔等載體上均勻分散活性Na2CO3/K2CO3物種來解決上述問題，提高了耐磨性。

1.7 低溫固體吸附劑小結

對于低溫固體吸附劑來說，通常情況下高壓條件更有利于其吸附CO2，但對氣體的選擇性較低，且受水蒸氣影響較大，氣流中存在的水分會水解某些吸附劑(如MOFs類材料)中的配位鍵，并與CO2產生競爭吸附，導致CO2吸附性能下降。如活性炭、分子篩類材料一般具有較高的熱穩定性以及一定的機械強度，但其對于CO2的選擇性相對較差，且低壓下的吸附能力較弱，此外煙氣中的水汽會影響其對CO2的吸附，各類低溫固體吸附劑的優缺點見表3。近年來學者們致力于合成出吸附容量大、穩定性高、循環使用性能好的低溫固體吸附材料。

表3 低溫固體吸附劑優缺點

2 中溫固體吸附劑

2.1 類水滑石衍生吸附劑

層狀雙金屬氫氧化物(Layered Double Hydroxides, LDHs)可用作中溫固體吸附材料，由于其具備快速的吸附/脫附動力學以及再生性能較高而備受關注，LDHs材料適用于從發電站或大氣中捕集CO2，且能利用可持續能源(如陽光)將其轉化為燃料利用。對于LDHs類材料來說，其較高的CO2分子親和力以及較大的比表面積有利于CO2在光照條件下的選擇性分離與轉化[32]。

LDHs類材料一般具有較為豐富的堿性位，其在200～400 ℃內可與CO2氣體產生化學反應作用。通常來說，較小的晶粒尺寸、較大的比表面積與較為疏松多孔的形貌結構有利于LDHs衍生吸附材料活性位的暴露，從而使得更多的CO2與之發生反應，最終吸附劑的CO2捕集性能得以提高。但其獨特的氫鍵堆積結構限制了其吸附容量進一步提高。KOU等[33]采用簡單的溶劑熱法，制備了一系列不同Mg/Al物質的量比的多孔MgAl-CO3-LDHs復合氧化物，并將甲醇作為改性試劑，用以取代MgAl-CO3-LDHs的層間水分子，能有效提高吸附材料樣品的比表面積和孔隙率，其在熱重分析儀中進行300 h吸附/脫附循環過程后(100個循環)，CO2吸附量仍能達到1.7 mmol/g，顯現出了良好的吸附性能(吸附條件：200 ℃、50% CO2/50% N2、60 min；脫附條件：400 ℃、100% N2、30 min)。ZHU等[34]利用水溶性有機溶劑處理的手段，將LDHs前驅物浸入質量分數20%的K2CO3溶液，合成了具有花狀納米片形貌的Mg3Al-CO3(LDH)吸附材料。此外，分別用乙醇及丙酮作為改性劑來處理樣品，使其能夠暴露出更多的內層活性位點，使樣品比表面積分別達到287和212 m2/g。結果表明，K+可在吸附劑表面均勻分散，提高了表面改性效率。與此同時，煅燒過程中釋放出的乙二醇優化了吸附劑的孔結構。在熱重分析儀中測試了樣品CO2吸附性能，經10次吸附/脫附循環后其吸附量仍能達到1.2 mmol/g(吸附條件：400 ℃、100%CO2、60 min；脫附條件：450 ℃、100% N2、60 min)。

2.2 MgO基吸附劑

MgO在地球土壤中儲量豐富且成本較低，作為CO2固體吸附材料具有理論吸附容量高(每克吸附劑1 100 mg CO2)、無毒、適用范圍較廣及工作溫度范圍大(室溫～400 ℃)等優勢。在相對干燥的反應條件下，MgO吸附劑對CO2的吸附機理為

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在此過程中CO2首先與MgO顆粒反應生成MgCO3產物層，未反應的MgO顆粒被包裹其中，之后CO2通過擴散作用穿過產物層繼續與MgO發生反應。在存在水蒸氣的反應條件下，MgO首先與H2O反應形成中間產物MgO·H2O*，隨后與CO2反應生成最終產物MgCO3。但是MgO吸附劑在實際應用中同樣也存在局限性，由于缺少基礎活性位點以及固有的高晶格焓，致使其多循環吸附動力學表現不佳[35]。據文獻報道，商業MgO材料的CO2吸附容量在多個吸附/脫附循環過程中會降低到每克吸附劑10～20 mg CO2。導致這一問題的原因主要有2個方面：① 比表面積較小(商業MgO的比表面為8～35 m2/g)，使其無法暴露出足夠的吸附活性位點；② 該反應過程的最終產物層MgCO3的產生會引發吸附劑體積膨脹(相比反應前增大了約2.5倍)，致使相鄰的堿性位被覆蓋，最終降低其CO2捕集性能。

為了提高MgO基吸附劑對CO2的捕集容量，國內外學者提出了各類解決方案，包括制備介孔MgO、在多孔載體上均勻負載MgO、堿金屬碳酸鹽/硝酸鹽摻雜、制備MgO基混合氧化物以及微觀結構改性處理等。GUO等[36]以MgCl2·6H2O作為前驅物對幾類生物質廢棄物材料(咖啡渣、甘蔗渣、鋸末、稻殼等)采取了先預處理后煅燒的方法，合成了一系列負載型MgO基吸附材料。其中，稻殼灰負載的吸附劑具備較高的MgO顆粒結晶度、良好的納米孔結構、表面堿度的富集以及活性組分的均勻分散性等特性。當MgO的負載量為質量分數20%時，該樣品在固定床反應器中的CO2初始吸附容量達到了每克吸附劑4.6 mmol CO2，并且10次吸脫附循環后其吸附容量損失率僅為7.68%(吸附條件：200 ℃、10%CO2/90%N2；脫附條件：400 ℃、100%N2)。JEON等[37]合成了MgO-Al2O3共晶復合氧化物材料，并研究了其碳化機理。該吸附劑表面生成的MgCO3產物層與MgO-Al2O3界面構成三相界面，引導CO2在MgO活性位點上共同形成蘑菇狀的MgCO3，該MgCO3產物沿吸附劑表面均勻分散，并隨著CO2吸附/脫附過程的持續進行而縱向演化，能夠避免產物以團聚形式存在，從而使吸附劑樣品的CO2捕集容量得以最大程度保留。

2.3 中溫固體吸附劑小結

類水滑石衍生吸附劑通常具有較大的比表面積，且可均勻分散吸附活性物種，從而暴露出更多的吸附位點，最終實現其與CO2氣體分子之間最大程度的相互作用以增強CO2捕集能力。MgO基吸附劑可適用于甲醇蒸汽重整制氫或吸附增強的水煤氣轉化反應等過程中，該吸附劑能夠有效移除CO2副產物，從而促進反應朝正向進行，應用前景廣闊。但類水滑石材料有獨特的氫鍵堆積結構，而MgO則缺少基礎活性位點以及具備固有的高晶格焓，其自身性質導致了該類吸附劑的CO2吸附性能均相對較差，因此在實際工況下的規?；瘧檬艿较拗?，這2種吸附劑的優缺點見表4。未來研究重點在于繼續優化制備工藝，研發出綠色低廉、簡易高效的類水滑石衍生吸附劑以及MgO基吸附劑。

表4 中溫固體吸附劑優缺點

3 高溫固體吸附劑

3.1 鋯酸鹽基吸附劑

鋯酸鋰(Li2ZrO3)材料是一類高溫CO2固體吸附劑，其與CO2的反應機理[38]為

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Li2ZrO3在碳捕集過程中體積變化小，但存在一定的吸附動力學局限性，影響其進一步應用，可通過以下方式解決：① 改變吸附劑晶體結構；② 引入Na+或K+替代部分Li+來提高Li2ZrO3基吸附劑的CO2吸附性能。

研究人員對Li2ZrO3基吸附劑的吸附動力學進行了建模研究，以便了解CO2的吸附/脫附過程。模擬結果表明，表面反應是控制反應動力學的主要因素，而產物層擴散阻力對吸附過程的影響較小[28]。進一步研究發現，在500～700 ℃進行1 h碳酸化/煅燒反應后，只有體積分數11%～13%的CO2被吸附。由于多數情況下CO2的吸附都發生在反應動力學控制階段，而不是擴散控制階段，所以Li2ZrO3吸附劑較為緩慢的吸附動力學限制了其在工業生產中的應用。除了作為固體吸附劑，Li2ZrO3還可用于鎳基催化劑推動的甲烷重整反應中，通過分離產物中的CO2可提高H2的生產效率[39]。

除Li2ZrO3外，Na2ZrO3也可作為CO2吸附劑。在600 ℃下，比Li2ZrO3表現出更高的CO2吸附性能。這歸因于Na2ZrO3具備更加良好的CO2吸附動力學。但Na2ZrO3吸附劑有再生能力較差的缺點，多個吸附/脫附循環后吸附劑會產生嚴重的失活現象[39]。

3.2 硅酸鹽基吸附劑

部分硅酸鹽材料也可作為高溫固體吸附劑進行CO2的捕集[28]。近些年，研究人員制備出了一系列堿硅酸鹽吸附材料，包括Li4SiO4、Li4-xNaxSiO4、Li4+x(Si1-xAlx)O4、Li4-x(Si1-xAlx)O4、Li8SiO6、Li6Si2O7、Li2Si2O5、Li2Si3O7、Na2SiO3、Ca2Si2O3和(OH)3Al2O3SiOH等。其中，Na2SiO3等材料由于CO2吸附性能較差(通常小于質量分數10%)而關注度相對較低。正硅酸鋰(Li4SiO4)作為高溫CO2吸附劑的主要優勢在于具備較低的再生溫度(<750 ℃)、較高的CO2捕集容量(理論數值為每克吸附劑0.367 g CO2)與極佳的循環穩定性，其CO2捕集容量經多次吸附/脫附循環過程而無明顯變化。Li4SiO4作為高溫CO2吸附劑的反應機理[38]為

(3)

Li4SiO4基吸附劑除了可用于火力發電廠煙氣和燃氣輪機廢氣中CO2的捕集外，還可用于水煤氣變換反應(WGS)和蒸汽甲烷重整反應(SMR)中CO2的脫除。此類反應溫度通常在450～600 ℃，CO2體積分數在4%～20%，在這些條件下，CO2吸附過程中的動力學限制是Li4SiO4吸附劑實現工業應用的主要障礙[40]。Li4SiO4基吸附劑對CO2的吸附過程以表面化學反應為主，通?？刹扇∫韵路绞礁纳破湫阅埽孩?通過增大吸附速率以及延長吸附時間來強化化學反應控制階段；② 增大擴散控制階段的吸附速率。整體來說，這些手段包括：微觀結構改性、堿摻雜、過渡金屬摻雜、硅源和鋰源的有效利用、堿土金屬摻雜。

Li4SiO4吸附劑材料最初于2002年制備合成，近年來國內外科研人員做出了大量的努力，通過探究反應機理、調變操作參數、優化合成過程等來提高Li4SiO4吸附劑的CO2捕集能力，設計研發適合工程應用、性能較優異的Li4SiO4吸附劑。BUELENS等[41]合成了3種不同的正硅酸鋰(Li4SiO4)吸附材料，分別為：① Li4SiO4；② 帶有氧化鋯涂層的Li4SiO4，記為Li4SiO4@ZrO2；③ 帶有鋯酸鋰涂層的Li4SiO4，記為Li4SiO4@Li2ZrO3。使用一系列表征手段，發現性能最佳的樣品為Li4SiO4@Li2ZrO3，其富含鋰組分的核殼結構能夠使其經過碳酸化過程后更易于重組，歷經脫碳過程后可快速再生。Li4SiO4@Li2ZrO3吸附劑樣品較高的吸附量、優異的多循環穩定性及快速CO2吸附/脫附動力學有利于其應用于工業CO2捕集過程。STEFANELLI等[42]制備得到了碳酸鉀(K2CO3)改性處理的正硅酸鋰(Li4SiO4)吸附材料，并在不同CO2分壓(4.05×103～5.07×104Pa)和溫度(540～580 ℃)下研究了CO2捕集能力。通過建立縮核模型，證實粉末狀及顆粒狀樣品的試驗數據在該反應溫度及CO2分壓范圍內都表現出較好的擬合度。研究發現，K2CO3的添加使得樣品在碳酸化反應階段形成了(K/Li)-CO3共晶化合物，增大了中低CO2分壓下產物層的擴散速率(吸附條件：540～580 ℃、120 min；脫附條件：660 ℃、100% N2，直至樣品失重率<0.1%/min)。

3.3 CaO基吸附劑

3.3.1CaO基吸附劑概述

工業生產中用于CO2分離脫除較為成熟的技術是胺基吸收技術，該技術工作溫度為40～150 ℃。然而胺吸收劑再生能耗通常較高、工藝成本難以降低，設備易受腐蝕，且循環過程中易生成廢棄物，導致環境污染。雖然沸石、活性炭以及碳纖維等微孔/介孔材料也能在低溫條件下吸附CO2，但由于其存在吸附動力學的局限性，該類材料不適用于300 ℃以上的溫度環境，限制了其在合成氣/制氫等工藝過程中的應用(廢氣溫度一般超過500 ℃)。相比之下，氧化鈣基固體吸附材料作為一種高溫吸附劑具有價廉易得、吸附容量較高、吸附速率較快、環境友好以及低毒等優勢。特別是對于燃煤電廠產生的高溫煙道氣來說，無須將氣體冷卻，可使用鈣基吸附劑直接捕集CO2，降低整體成本，避免能量損失[39]。CaO吸附CO2的反應機理如下：

(4)

圖1為鈣循環捕集CO2的工藝流程示意，CaO顆粒與進料氣體中的CO2在碳酸化爐中于600～700 ℃反應生成CaCO3，隨后CaCO3通過旋風分離器分離，并經氣流送入煅燒爐經850 ℃以上的溫度再生，得到的CaO繼續進入碳酸化爐中進行后續的CO2吸附/脫附循環過程。

圖1 鈣循環工藝流程示意[43]Fig.1 Schematic sketch of the typical calcium looping process[43]

CaO顆粒CO2吸附過程的快速反應階段主要受到樣品顆粒表面積的影響，同時還會受到產物(CaCO3)層生長的限制。在CO2擴散控制階段，CaCO3的形成對表面反應、孔擴散和產物層擴散有重要影響。產物層的生長會使氣體在孔隙中的擴散變得更加困難，抑制了氣固表面反應的發生。通常煙氣成分中還含有少量的SO2，會與CO2產生競爭性吸附，導致鈣基吸附劑吸附容量降低。CaO與SO2的硫化反應除了受氣體擴散控制外，還受固態離子擴散控制。當碳化產物層與硫化產物層(CaSO4)厚度相等時，碳化反應僅受氣體擴散控制，而由于CaSO4具有很高的離子導電性，硫化反應可通過Ca2+和O2-在產物層中從內向外的擴散繼續進行，故硫化反應最終可進行的程度比碳化反應更深，相同比表面積的吸附劑硫化率大于碳化率。因此，使用鈣基吸附劑對煙氣進行CO2捕集前，最好先進行脫硫處理。對CaO基吸附劑的實際應用來說，反應活性的降低主要是由顆粒形貌的改變——團聚燒結引發的，此過程通常是由煅燒時CaO亞晶的生長與雜質微觀表面的熔化團聚引起的。微晶的形成通常會導致反應比表面變小，從而使氣固反應速率下降。煅燒時，CO2的脫附過程通常發生在較高的CO2分壓下，這種高濃度CO2的存在以及苛刻的煅燒條件會加速燒結現象的發生，致使顆?？紫堵氏陆?，進而造成反應活性顯著降低。針對這些問題，國內外科研人員研究采取高溫熱預處理、水合處理、化學摻雜改性、酸改性等方式來增強其CO2捕集性能與循環熱穩定性[44-45]，見表5。

表5 增強天然石灰石CO2吸附性能的改性方法及對應CO2吸附測試條件[45]

1)高溫預處理。鈣基吸附劑的高溫預處理是一種吸附劑再生的手段，該過程中存在熱應力能夠使吸附劑顆粒發生結構重排，從而硬化/固化顆粒，提高其循環穩定性。CaO吸附劑熱預處理進行再生的本質是通過固態相的均勻分散導致其碳酸化作用增強，致使生成的CaO骨架的孔隙率提高，從而在隨后的循環過程中能夠快速碳酸化。據文獻報道，在較高的脫附溫度(如800 ℃)以及較低CO2分壓下一般可實現對CaO吸附材料的高溫熱預處理，從而使吸附劑顆粒重新活化再生。VALVERDE等[46]研究了不同氣氛條件下的高溫預處理過程對石灰石衍生鈣基吸附材料吸附特性的影響，在吸附劑合成過程中引入SiO2以緩解晶粒燒結現象的發生。研究結果表明，在高CO2分壓、高溫條件下對吸附劑進行預處理，會在CO2快速反應控制階段迅速生成較厚的產物層(CaCO3)，阻礙CO2氣體擴散過程的發生。相比之下，利用溫和的煅燒條件會緩解這一情況，從而使吸附劑樣品顆粒得以維持相對較大的比表面積，在多循環吸附/脫附過程中保持良好的CO2吸附能力與熱穩定性。

2)水合作用。CaO基吸附劑水合處理的相關概念最早于1980年由阿貢國家實驗室提出，此過程中的反應機理[47]為

水化反應：

(5)

脫水反應：

(6)

CaO顆粒通過與水/水蒸氣發生反應來對內部進行滲透活化，致使顆粒膨脹斷裂。而Ca(OH)2產物層擴散阻力的消失提高了CaO與水(或蒸汽)的反應速率，短時間內產生集中的反應熱。除此之外，水合作用改變了吸附劑的摩爾性質，Ca(OH)2由于摩爾質量更接近CaO，而其摩爾體積更接近CaCO3，故其密度相對較小。另一方面，在燃燒室/氣化爐中加入Ca(OH)2會導致其化學結合水減少，從而使其脫水形成晶粒尺寸更小、比表面積和孔容更大、孔隙率更高、反應活性更強的CaO，從而提高碳酸化轉化率。

CaO基吸附劑顆粒的水合處理過程屬于反應速率迅速的放熱反應過程，而其脫水反應，即Ca(OH)2的吸熱分解則需要在420 ℃以上進行。普通的高溫反應器(如碳酸化器和煅燒爐)不適合進行吸附劑的水合處理，需要用專門設計的反應器在低溫下進行。當溫度高于600 ℃時，雖然水合作用仍能發生，但此過程的蒸汽分壓通常高達0.4 MPa，致使生產成本上升。另一方面，伴隨循環次數和煅燒溫度的增加，吸附劑顆粒燒結現象愈發嚴重，導致其顆粒密度(包括孔隙率)變大。因此，在較低的反應溫度和壓力條件下利用專門的水合反應器來實現吸附劑的活化再生更加符合工程應用的需求。

3)摻雜改性。通過在CaO基吸附劑中引入惰性/難熔材料(如MgO、Al2O3、La2O3、SiO2、TiO2和ZrO2等)可以增強吸附劑的抗燒結性能。若惰性載體具備高熔點、較好的分散性以及高比表面積等性質，則制備得到的吸附劑會顯現出較優異的循環熱穩定性。雖然某些氧化物/復合氧化物也可作為獨立的吸附材料，但其在CaO與CO2反應的平衡溫度及壓力條件下難以自發地捕集CO2，所以該類材料的添加量同樣需要注意。在鈣基吸附劑的制備過程中引入惰性/難熔材料的本質在于，其可在CaO表層/內部產生物理阻隔作用，阻礙CaO晶體的聚集長大，從而減少吸附劑在多循環操作中的燒結現象，如圖2所示。

圖2 引入惰性材料的強化機制示意[48]Fig.2 Schematic presentations of the enhancement mechanism by incorporating inert support[48]

大量研究表明，相比于石灰石CaCO3來說，白云石CaMg(CO3)2具備更強的循環穩定性，這是因為白云石中MgCO3含量較高，在多循環的煅燒過程中，可分解為MgO，而MgO可充當惰性摻雜劑，其在吸附劑的碳酸化/煅燒循環過程中能夠減緩CaO顆粒燒結。此外，許多其他金屬氧化物如Cr2O3、CeO2、CoO、CuO、γ-Al2O3、Mn2O3、SiO2、ZrO2、TiO2、MgO的摻雜特性同樣被系統研究。Al2O3的添加通常會在煅燒階段形成穩定的鈣鋁復合氧化物(如Ca12Al14O33)，可有效增強CaO顆粒的抗燒結特性。

4)酸改性。通過使用乙酸、甲酸等有機酸或HCl、HBr、HI、HNO3等無機酸對CaO吸附劑進行酸處理，可改善吸附劑的多孔性質，從而促進CO2的吸附[49-50]。酸改性試劑先與鈣前軀體反應形成有機鈣鹽。隨后在煅燒時，有機鈣鹽會分解成CaCO3及有機物，CaCO3進一步煅燒產生CaO，有機物則會分解產生大量氣體，進而有效改善了吸附劑的孔結構，增加了吸附劑的比表面積，最終提升CO2吸附容量。AL-JEBOORI等[49]分別用4種不同的礦物酸(HCl、HBr、HI和HNO3)對石灰石進行預處理，以改善鈣基吸附劑的孔道結構進而提高其吸附性能。結果表明，除HNO3外的其他3種酸均可提高吸附劑樣品在13個循環中的CO2吸附容量和長循環穩定性。SNCHEZ等[51]和WANG等[52]分別向石灰石/白云石混合物中添加乙酸(AA)和檸檬酸(CA)，用以合成MgO負載的CaO基吸附劑。結果發現，AA及CA的存在可以改善吸附劑的多孔結構，減少孔道堵塞和燒結現象的發生，促進了CO2的擴散效率，最終提升鈣基吸附劑的CO2吸附性能。

3.3.2CaO基吸附劑原粉制備工藝及放大制備

在第3.3.1節所述的4種改性方法中，通過使用化學摻雜手段制成的CaO基吸附材料極具實際生產應用的潛力?，F階段，國內外針對摻雜改性的鈣基吸附劑的探究基本上都處在實驗室小試規模，與實際應用相比還有較大差距。與工業催化劑的生產制備過程相似[53-54]，要想實現固體吸附材料的商業化應用，首先要實現批量生產。通常來說，小試試驗的制備條件往往不能照搬到規?；苽渖蟻?。造成這種結果的原因是多方面的，如隨著合成容器的增大(從數百毫升到數升/立方米)，使得原料液中傳熱傳質距離變長，導致單位吸附劑在攪拌、混合過程中的能量強度變低，這些因素會間接影響吸附劑晶粒的形成與生長；其次，在后處理過程中，如過濾和洗滌等操作需考慮吸附劑粒子的穿漏，并且該類過程中產生的熱量不能忽略；干燥、焙燒時，吸附劑料層通常較厚，從而導致其溫度梯度大以及熱循環時間短，這決定了吸附劑能否焙燒充分?？傊?，從吸附劑的規?；苽渲敝林性囁婕暗脑贤度肓?、容器大小、實際工況等與小試試驗相比存在較大差別，易導致過程放大效應的產生。相比之下，放大制備所得的試驗結果更加貼近于實際工業生產得到的測試結果。因此需要在吸附劑放大生產的過程中優化相關工藝參數，使其更加貼近于工業應用。

PATEL等[55]以吸附劑生產成本、CO2吸附容量、選擇性、循環穩定性、再生性能和吸附動力學特性等為基準，提出了吸附劑設計的6個基本要素：① 吸附劑的工作容量至少為每克吸附劑2 mmol CO2；② 得到的CO2純度在99%以上；③ 吸附劑在水、酸性氣體存在以及150 ℃工作溫度下具備較高穩定性；④ 吸附劑可完成1 000次CO2吸附/再生循環；⑤ 吸附劑生產成本低于10美元/kg；⑥ 每個循環的快速吸附階段在5 min內完成。不僅是鈣基吸附劑，對于各類固體吸附材料來說，欲實現工業捕集CO2，應將以上6要素作為基本參考，從而進行高性能吸附劑的設計與合成。

CaO基吸附劑的合成方法通常包括共沉淀法、濕混合法、模板劑法、沉積-沉淀法、溶膠-凝膠燃燒法、機械球磨法、火焰噴霧熱解法等。為進一步將鈣基吸附劑應用于商業化生產中，采用簡單易行的合成工藝高效制備高吸附活性的吸附劑是降低生產成本的關鍵。傳統的共沉淀法和濕混合法操作簡便，在合適的反應溫度、時間、物料配比等條件下，原料中所有組分都能充分混合，從而得到具有均勻分散性的惰性摻雜組分，最終制備出具備優良吸附活性的CO2吸附材料。TONG等[43]開發了一種用于CaO基吸附劑小球的半工業化級制備工藝。通過濕法混合以及噴霧干燥技術，在吸附劑制備過程中引入Al物種，得到了吸附性能良好的鈣基前驅體粉末，隨后采用擠出-滾圓成型工藝，并以尿素(質量分數5%)為造孔劑制得了吸附劑小球顆粒(粒徑0.70～1.25 mm)，在雙固定床反應器中進行25次CO2吸附/脫附循環后仍能保持0.29 g/g的吸附容量(吸附條件：650 ℃、15% CO2/85% N2、30 min；脫附條件：900 ℃、27% O2/73% CO2、10 min)，約為石灰石顆粒的10倍，顯示出良好的吸附性能與熱穩定性。JIANG等[56]使用過飽和共沉淀法制備了一系列Al改性CaO基吸附劑，并在吸附劑原粉的逐級放大制備(理論產量分別為0.4、1.5以及6.0 kg)過程中，研究發現共沉淀時間及溫度、Ca的前驅體濃度和放大倍數對樣品吸附性能存在不同程度的影響。通過擠出-滾圓法得到的吸附劑小球樣品(粒徑0.3～0.6 mm)歷經30個CO2吸附/脫附流化床循環測試(吸附條件：650 ℃、14.9% CO2/3.6% O2/8.8% H2O/72.7%N2、20 min；脫附條件：900 ℃、100%N2、5 min)，吸附劑小球可保持每克吸附劑5.4 mmol CO2的吸附容量；經40 h熱態流化磨損后，該吸附材料平均磨損率為0.14%/h，具有良好的工業應用前景。

3.3.3CaO基吸附劑成型造粒研究

粉末狀的鈣基吸附劑不宜在工程實際中應用，需在使用前對其進行成型造粒。反應過程中CaO基吸附劑的磨損破裂會導致其反應活性下降[57]，磨損通常由吸附劑顆粒與反應器、吸附劑顆粒之間的碰撞摩擦引起。隨著磨損情況的不斷發生，可用于CO2碳酸化/煅燒循環過程的吸附劑數量大大降低，因此需要不斷向反應器中補充新鮮吸附劑，但會導致生產成本上升。以往研究表明，吸附劑顆粒尺寸及試驗條件(加熱速率、氣流速率、床層溫度、設備結構和尺寸)對吸附劑成型顆粒的磨損破碎有很大影響。一般情況下存在3類磨損破碎機制：一次破碎、二次破碎和磨損破碎。其中，一次破碎是由固體顆?？焖偌訜釋е碌臒釕σ?，另外一個因素是在吸附劑顆粒的煅燒過程中，由CO2脫附造成的內部超壓引發。二次破碎則是由機械應力導致，通常是顆粒之間與反應器壁碰撞磨損產生的結果。成型顆粒的磨損率往往在第1個反應循環過程時較高，之后每個循環的磨損率通常會逐漸降低，這是由于早期的顆粒破碎以及化學熱處理過程能夠使得顆粒結構更加牢固。

CaO鈣基吸附劑的成型技術通常包括噴霧干燥成型、轉動成型、擠壓成型、擠出-滾圓成型等多種方法，一些典型的造粒方法[58-60]見表6。

表6 CaO基吸附劑代表性成型造粒方法[60]

SOLEIMANISALIM等[61]使用壓片機將Zr/Al摻雜改性的CaO吸附劑制成直徑與長度均為1 mm的圓柱形顆粒，并通過溶膠凝膠法，將正丁氧基鋯(鋯酸四丁酯)作為鋯源，對合成的吸附劑小圓柱進行涂覆，經過750 ℃煅燒后得到分散均勻、高度結晶的ZrO2涂層。與未經涂覆的吸附劑樣品相比，介孔ZrO2晶體涂層的存在可以緩解CaO顆粒燒結現象的發生，在熱重分析儀測試中CO2初始容量為每千克吸附劑13 mol CO2，經21個碳酸化/煅燒過程后可維持79%的吸附容量(吸附條件：675 ℃、100% CO2，10 min；脫附條件：850 ℃、100% N2、10 min)。LI等[62]通過使用石墨澆鑄造粒技術實現了從原料到CaO基吸附劑小球顆粒的一步式造粒，制得的樣品顯示出均勻的直徑以及優良的球形度(粒徑為2.5～3.0 mm)。與粉末狀吸附劑相比，由于成型過程中存在擠壓作用，使得吸附劑小球的比表面積通常會降低、多孔結構易遭到破壞，因此采用了微晶纖維素(MC)作為造孔劑。結果表明加入質量分數30% MC合成的吸附劑小球具備更高的比表面及孔容。在熱重分析儀測試中經20個吸附/脫附循環后吸附劑樣品的CO2捕集容量為每克吸附劑吸附0.34 g CO2，比未改性的樣品高出48%(吸附條件：650 ℃、15%CO2/85% N2，30 min；脫附條件：900 ℃、100%N2、10 min)。擠出-滾圓法是一項較為成熟的成型技術，通過將固體吸附劑粉末制成球形顆粒，最終可提高其抗壓特性及耐磨特性。XU等[63]以不同的生物質(纖維素、半纖維素及木質素)為模板劑合成了球形鈣基吸附劑，并利用同步熱分析儀(STA)依次評價了吸附劑樣品的CO2吸附容量和3種生物質組分的熱解特性。研究發現用纖維素或半纖維素作模板劑時，制得樣品的比表面積明顯變大，有利于提高吸附劑對CO2的化學吸附效率。此外，上述3種模板劑對吸附劑的黏結作用順序依次為：木質素>纖維素>半纖維素。

3.4 高溫固體吸附劑小結

鋯酸鋰基、硅酸鋰基以及CaO基固體吸附材料在高溫條件下吸附性能優越，相比于MgO和類水滑石等吸附材料，對CO2的吸附容量明顯增大，3種高溫吸附劑的優缺點見表7。

表7 高溫固體吸附劑之間的優缺點

鈣基吸附劑的原粉規?；苽浼俺尚驮炝Ｌ骄侩m然近年來取得了一定進展，但綜合生產成本、長周期穩定性及機械強度來看，其商業化應用還有很長一段路要走。今后高溫固體吸附劑的研究方向應集中在以下幾個方面：① 合理有效利用固體廢棄物/礦物生產出具有高吸附容量及穩定性的固體吸附劑，實現綠色可持續發展；② 進一步優化吸附劑再生與CO2脫附分離技術，降低工藝成本；③ 探索新型高溫吸附劑用于CO2捕集的直接利用與轉化技術。

4 結 語

為實現2030年“碳達峰”、2060年“碳中和”的目標，減少碳排放并設法降低大氣中CO2濃度已成為亟待解決的問題。堿性液體吸收法是工業中現有的大規模使用且相對成熟的CO2捕集技術，同時科研工作人員仍在積極開展相關工作，研發新型的碳捕集工藝。使用固體吸附劑捕集CO2具有操作方便、無二次污染、脫除率較高、對設備腐蝕性較低等優點，因此吸附法捕集CO2成為最有前景的方法之一。根據工作溫度的不同，吸附劑分別為低溫、中溫和高溫吸附劑。低溫吸附劑的應用領域最為廣泛，但需加大研發力度以進一步提高其吸附容量、選擇性及循環穩定性。中溫吸附劑可用于CO2的直接捕集與轉化，但現階段吸附容量低及高溫下較熱穩定性較差阻礙了其工業應用。高溫吸附劑中鈣基材料由于來源廣泛、價格低廉、CO2捕集容量高、吸附速率快，可有效用于工業煙氣中CO2的分離脫除。然而CaO基吸附劑在碳酸化/煅燒過程中因燒結而失活以及流化過程中磨損破碎等問題是制約該技術發展的瓶頸，未來研發具有高吸附容量、熱穩定性、雜質耐受性、快速CO2吸附/脫附動力學、高抗磨損性能等特性的吸附材料是當前的發展趨勢。