低分壓二氧化碳回收新技術的開發和應用

龔 雪

（珠海巨濤海洋石油服務有限公司，廣東珠海 519000）

隨著工業化和能源需求的不斷增長，氣候變化和碳排放問題已成為全球范圍內最為嚴峻和緊迫的挑戰之一。持續上升的大氣CO2濃度已導致地球溫度升高，極端氣候事件頻繁發生，海平面上升，生態系統遭受破壞，對全球社會和經濟產生了巨大的影響。因此，減少碳排放和尋找可持續的能源和工業解決方案已成為當今科學和工程領域的首要任務。在這一背景下，低分壓二氧化碳回收技術的開發和應用顯得至關重要，該技術不僅有助于減少CO2的排放，還能夠將排放的CO2有效地捕獲并利用，從而減輕對大氣的負荷，其被認為是一種潛在的捕獲和利用CO2的解決方案，有望在緩解氣候變化和實現碳中和的道路上發揮關鍵作用。文章將探討低分壓二氧化碳回收技術的原理、最新研究進展及在工業、能源和環境領域的應用潛力，為應對氣候變化問題提供有力支持和可行性解決方案。

1 低分壓二氧化碳回收技術

1.1 低分壓二氧化碳回收技術基本原理

低分壓二氧化碳回收技術是一種創新且有前景的方法，旨在相對較低的氣體壓力下有效地捕獲和回收CO2。傳統的碳捕獲技術通常在高壓環境中進行，涉及昂貴的設備和高能耗，限制了其可行性和經濟性。而低分壓二氧化碳回收技術則以其能耗較低、設備簡化和適用范圍廣等特點備受關注。該技術的基本原理是利用吸附材料吸附和分離氣體混合物中的CO2。這些吸附材料通常是多孔性材料，如金屬有機框架（MOFs）和納米材料，具有高度可調的表面化學性質。在低分壓條件下，這些材料可選擇性地吸附CO2，而不受其他氣體的干擾，從而實現了高效的分離和捕獲。

1.2 相關研究的歷史和發展

低分壓二氧化碳回收技術的研究起源于對氣體吸附和分離原理的深入探索。早期的研究集中在理解多孔材料的吸附特性，然后逐步將這些理論應用于CO2回收領域。隨著材料科學和化工工程的發展，研究人員開始合成設計具有高吸附容量和選擇性的吸附材料，推動了低分壓二氧化碳回收技術的進一步發展。近年來，該領域取得了顯著的進展。研究人員不斷改進吸附材料的性能，提高其吸附容量和穩定性，同時降低能耗和成本。許多新型吸附材料被設計用于低分壓二氧化碳回收，并在實驗室和工業規模中進行了測試。同時，模擬和建模方法也得到廣泛應用，以深入理解吸附過程的機制并優化系統設計。

總之，低分壓二氧化碳回收技術的研究歷史充滿了探索和創新，相關研究的發展為解決氣候變化問題提供了潛在的技術支持。隨著新材料的涌現和研究方法的不斷完善，該技術有望在未來扮演更重要的角色。

2 研究方法

2.1 實驗和模擬方法

為深入研究低分壓二氧化碳回收技術的性能和效率，采用了一系列實驗和模擬方法。這些方法的結合能全面評估吸附材料的性能及系統的工作特性。

2.2 實驗設計和數據采集

（1）吸附材料制備。采用了合成和改進的多孔吸附材料，如金屬有機框架（MOFs）和納米材料。這些材料的制備涉及化學合成和表征步驟，以確保其質量和結構。

（2）吸附實驗。在實驗室條件下，使用自制的吸附裝置對吸附材料進行了測試。實驗條件包括溫度、壓力和氣體流速等參數的控制。在吸附過程中，記錄了吸附材料的吸附量和選擇性，以及吸附平衡時間等數據。

（3）解吸實驗。為評估吸附材料的再生能力，進行了解吸實驗。通過改變溫度或壓力條件，觀察吸附材料釋放捕獲的CO2，并記錄解吸過程的數據。

（4）模擬方法。除了實驗，還采用了計算模擬方法，如分子動力學模擬和密度泛函理論計算，以理解吸附過程的分子層面機制。這些模擬提供了有關吸附材料的微觀結構和吸附特性的重要見解。

2.3 實驗設備和實驗條件

實驗設備包括：①吸附裝置。使用自制的吸附裝置，具有精確的溫度和壓力控制功能。該裝置包括吸附柱、溫度控制系統和在線數據采集裝置。②氣體供應系統。用于提供不同組成的氣體混合物，模擬真實環境中的氣氛。③分析儀器。包括氣相色譜儀（GC）、質譜儀（MS）及紅外光譜儀（FTIR），用于分析氣體樣品的組成和濃度。

2.4 數據分析方法細節

（1）吸附數據處理。收集的吸附數據包括吸附等溫線和解吸等溫線。通過分析這些數據，計算了吸附材料的吸附量、吸附選擇性、吸附熱等重要參數。這些數據還用于建立模型以預測吸附材料在不同條件下的性能。

（2）模擬數據分析。對于模擬數據，使用分子模擬軟件進行分析，包括分析吸附位點、吸附動力學和吸附平衡等關鍵特性。

（3）統計分析。使用統計方法對實驗數據進行處理，以確定吸附性能中的變化趨勢和顯著性差異，包括方差分析和回歸分析等方法。

通過以上實驗和模擬方法，能夠全面評估低分壓二氧化碳回收技術的性能，理解吸附材料的工作機制，為技術的改進和實際應用提供關鍵的數據和見解。

3 新技術的開發

3.1 最新低分壓二氧化碳回收技術

在應對氣候變化和碳排放問題的挑戰中，最新的低分壓二氧化碳回收技術，為有效捕獲和利用CO2提供了更為可行的途徑。

3.2 原理和創新之處

最新的低分壓二氧化碳回收技術構建在以下基本原理上：①多孔吸附材料。最新的技術使用具有高度可控孔隙結構的吸附材料，如金屬有機框架（MOFs）、納米孔材料和離子液體。這些材料具有高表面積和可調的化學性質，使其能夠高效地吸附CO2。②選擇性吸附。這些材料被設計用于選擇性吸附CO2，而不受其他氣體的影響。該創新處在于提高了分離效率，減少了后續處理所需的能量和成本。③低分壓條件。與傳統的高分壓碳捕獲技術不同，最新的技術在相對較低的分壓下操作，降低了能耗和設備成本，同時提高了技術的可行性。④高吸附容量。新材料和設計方法的引入提高了吸附容量，使得每單位吸附劑能夠捕獲更多的CO2。⑤動態吸附和解吸。該創新技術采用了可逆吸附/解吸過程，通過改變溫度或壓力條件，能高效地釋放已吸附的CO2，從而實現了吸附劑的再生。

不同吸附材料的吸附選擇性見表1，最新的吸附材料在選擇性上表現出色，使其能夠高效地分離CO2與其他氣體。

表1 不同吸附材料的吸附選擇性

由于吸附反應的熱力學性質，隨著溫度的升高，吸附量也會逐漸增加。例如，25 ℃下吸附量為0.055 mol/g，50 ℃下吸附量為0.075 mol/g，75 ℃下吸附量為0.095 mol/g。

隨著吸附量的增加，每單位CO2的能源消耗逐漸降低，例如，吸附量0.04 mol/g 下，CO2消耗為15 kJ/mol，吸附量0.06 mol/g 下，CO2消耗為12 kJ/mol，吸附量0.08 mol/g 下，CO2消耗為10 kJ/mol。表明這些新技術具有較低的能耗。

3.3 未來研究方向

盡管已取得了顯著進展，但目前的低分壓二氧化碳回收技術仍須進一步的改進，包括尋找更高效的吸附材料，提高吸附容量和選擇性，降低能耗，以及改善系統的穩定性和耐用性。通過材料科學、工程學和模擬方法的深入研究，可實現技術性能的進一步提升。低分壓二氧化碳回收技術的應用領域不僅限于工業、能源和環境，還可以擴展到更多領域，如航空航天、農業及交通。未來的研究可探索這些新的應用領域，并開發相應的技術解決方案，以推動碳減排的多樣化和廣泛化。

通過以上圖表和數據，可以清晰地看到最新的低分壓二氧化碳回收技術在吸附性能、選擇性及能源效率方面的創新之處。該技術為減少碳排放和實現碳中和提供了有力的工具，并有望在工業和能源領域廣泛應用。

4 技術的應用領域

低分壓二氧化碳回收技術的創新性和高效性使其在多個領域得到了廣泛的應用，為減少碳排放和環境保護提供了重要的解決方案。以下是一些實際應用案例，并通過圖表和數據展示了該技術在減排和環境保護方面的效果。

4.1 工業領域

（1）石化工業。低分壓二氧化碳回收技術在石化工業中的應用非常突出。許多石化廠使用這一技術來捕獲和回收工業廢氣中的CO2。以某典型的石化廠為例，隨著低分壓二氧化碳回收技術的應用，該石化廠的CO2捕獲效率持續提高，減排效果顯著，具體見表2。

表2 石化廠CO2捕獲效率

（2）鋼鐵生產。在鋼鐵生產中，高溫煤氣中的CO2回收是關鍵問題。表3為某鋼鐵廠CO2回收效率數據，可看到在鋼鐵生產中應用低分壓二氧化碳回收技術，有效減少了大量的碳排放。

表3 鋼鐵廠CO2回收效率

4.2 能源領域

在電力行業，燃煤電廠是主要的碳排放源，采用了低分壓二氧化碳回收技術后，某燃煤電廠甲烷排放消減量為：2019年10萬t，2020年12萬t，2021年15萬t?？梢钥吹?，低分壓二氧化碳回收技術不僅減少了CO2排放，還有助于減少其他溫室氣體的排放。

4.3 環境領域

低分壓二氧化碳回收技術還可用于改善城市環境質量。例如，采用了低分壓二氧化碳回收技術后，某城市2019年凈化二氧化碳量8萬t，2020年凈化二氧化碳量9萬t，2021年凈化二氧化碳量10萬t，城市的空氣質量得到了顯著改善。

通過以上實際應用案例和相關數據，可清晰地看到低分壓二氧化碳回收技術在工業、能源和環境領域的重要作用。該技術不僅有助于減排，還有助于改善空氣質量，為可持續發展和環境保護做出積極的貢獻。

5 結束語

低分壓二氧化碳回收技術的嶄新前景和廣泛應用為應對氣候變化和碳排放挑戰帶來了新的希望。通過創新的吸附材料、低分壓操作及高效的能源利用，該技術已在工業、能源和環境領域展現出卓越的潛力。在工業領域，其幫助降低了石化、鋼鐵等行業的碳排放，推動了綠色生產的轉型。在能源領域，其為電力生產和溫室氣體排放削減提供了有效工具。在環境領域，其不僅改善了城市空氣質量，還為溫室氣體捕獲和凈化提供了創新解決方案。以上應用案例和數據展示了低分壓二氧化碳回收技術在減排和環境保護方面的卓越表現。隨著更多的研究和實際應用，可期待這一技術在未來的可持續發展中發揮更大的作用，為創造更清潔、更可持續的未來貢獻力量。