二氧化碳的捕集方法探索

李浩然(天津大学,天津 300072)

1 背景

随着几十亿年积累的化石能源在近几百年来爆发性使用，空气中二氧化碳的含量持续增加，直接导致了全球气温升高。为了缓解气温升高对人类以及地球自然生态环境造成的威胁与破坏，必须控制因化石能源的燃烧而排放到空气中的二氧化碳，从而达到降低气温升高的目的。目前，二氧化碳的捕集方法主要有物理/化学吸收法、吸附法、膜分离法等。

以上各种方法均有各自的优、缺点，可单独使用，但多数情况下结合起来使用有着更加广阔的发展前景，例如物理化学吸收法、膜分离—吸收联合法。在实际生产中需根据原料气的组成、处理量及对二氧化碳产品纯度的要求来选择合适的方法。

2 膜分离法分离二氧化碳

2.1 膜分离法相关原理

膜分离技术主要是利用混合气体中气体与膜材料之间的物理或者化学反应来进行选择性吸收与分离的技术。其原理主要是使得气体能快速溶解于吸收液并通过分离膜或吸收膜快速传递，从而达到吸收气体在膜的一侧浓度降低，而在另一侧富集的目的。

根据膜对气体分离机理的不同，通常可将其分为分离膜和吸收膜两类。其中吸收膜主要是利用化学吸收液对气体进行选择吸收；而分离膜起到了将与化学吸收液分隔开的作用，使得在吸收膜的两侧形成浓度差，为吸收膜吸收做出了准备。因此，在膜分离技术的实施过程中通常需要吸收膜和分离膜两者共同来完成。

2.2 膜分离技术面的下问题

2.2.1 高温对膜的破坏：通常情况下所处理的烟气具有较高温度，若未经低温处理会对后期分离过程中使用的膜造成损坏。

2.2.2 其他化学物质对膜吸收的干扰：烟气中除外含有种类繁多的化学物质，会对膜吸收造成干扰，所以在分离前需要对烟气进行预处理或对膜进行化学处理；

2.2.3 烟气中浓度较低：较低浓度的无疑会降低膜的吸收效率，因此处理前对于烟气中的富集显得尤为重要，此外也可选用高选择性的化学吸收剂对膜进行改性；

2.2.4 能耗问题：处理过程中烟气经过膜，需要在两侧形成压差，需要耗用额外能量。

2.3 气体膜分离技术

2.3.1 气体膜分离现状

气体膜分离就是在压力驱动下，把要分离的气体通过膜的选择渗透作用使其分离的过程。早在20世纪70年代初期，气体膜分离技术已被投入工业应用。随着1979年Monsanto公司推出“Prism”H:/N:膜分离装置，气体膜分离的技术的市场地位得到确定。近年来，环境问题日益严峻，也促使了该项技术的迅猛发展，气体膜分离富氧、富氮、天然气中酸性气体的脱除，以及空气和天然气脱湿等已得到成功应用。

2.3.2 气体膜传质机理

气体分离膜主要有4种传质机理，分别是依靠分子量（努森扩散）、表面相互作用（包括表面扩散和毛细凝聚）、分子尺寸（分子筛）进行气体分离

2.3.3 气体膜分离技术的研究进展

鉴于膜接触器可以提供较大的接触面积，传统设备已经逐渐被疏水性微孔膜气液接触器所取代。同时，大量的研究关注于中空纤维膜接触器的膜材料：聚丙烯、α-纤维素、聚偏氟乙烯、硅橡胶以及聚砜，配合无机物纳米粒子应用于不同膜材料、膜技术，进一步优化了膜的气体渗透性和选择性。由于聚丙烯膜材料价格低廉、便于工业大规模推广，聚丙烯材料膜的优化成为了目前研究的重点。

2.3.4 气体膜技术分离CO2存在的问题

近年来，利用气体膜技术除去混合气中酸性气体受到越来越多的关注，但研究大多停留在实验室阶段。问题主要存在于以下几点：

2.3.4.1 膜及膜组件材料耐热性较差：考虑到膜选择性和渗透性的要求，目前工业应用中主要研究方向为有机高分子膜；但是相比于无机膜，其耐热性、化学稳定性以及机械强度都有一定的局限；

2.3.4.2 混合气体的干扰：探究温度、压力对气体膜分离过程的影响时，实验室采用的多为配气（较为干净）；而实际中由于工艺等差异，导致混合气的组成十分复杂，含有的杂质气会影响膜的分离效果。

2.3.5 气体膜分离技术的展望

由于操作简单灵活、环境友好，并能有效分离混合气中酸性（）组分，气体膜分离技术得到越来越广泛的应用。未来其发展方向主要有以下几个方面：

2.3.5.1 研究探索新的成膜技术，完善其理论体系，进而指导合成具有理想形态结构的材料；

2.3.5.2 将研究重点置于提高膜材料的气体渗透性，选择性，化学及机械稳定性，同时降低价格成本提高市场竞争力；

2.3.5.3 改进提升气体膜分离技术的工艺流程，结合其他分离工艺技术发展新型集成分离技术。

3 结语

环境问题的日益加剧，温室效应的日趋严重，使全球各学术界更加关注环保问题。尽管大量研究致力于新能源的开发与利用，但在未来相当长的时期内，人类仍然需要依赖煤、石油等化石燃料。面对电力以及石油行业产生的大量含废气，各种烟气分离与捕集技术正在被广泛研究与推广。凭借高捕集效率以及较低的捕集和再生能耗，膜分离技术有着广阔的工艺应用于发展前景；同时高稳定性，高选择性的新型膜材料的研发也是未来的发展方向和发展重点。