CO2捕集技术及其经济效益综述

张壮壮 冯帅 刘璐 严文瑞 王世飞

摘 要：随着工业社会的发展，CO2的排放量不断升高，导致大气中CO2的含量也随之提升，不管对经济还是生态都造成了巨大的損失。近些年来科技发展日新月异，导致我们对CO2也有了全新的认识，特别是在农业方面的应用使得CO2变废为宝，由温室气体变成一种“气体肥料”。要想利用CO2，第一步也是最重要的一步便是对CO2的吸附，目前对CO2的吸附方法有很多种，主流还是用化学吸附方法，即利用有机胺对CO2进行吸收。本文通过查询大量文献和研究，系统地阐述了CO2的捕集技术及其给农业带来的经济效益。

关键词：CO2；CO2捕集技术；农业经济

文章编号：1004-7026（2017）11-0148-02 中国图书分类号：X773 文献标志码：A

进入21世纪以后，现代工业飞速发展，随之而来的全球变暖、资源危机、水资源短缺和环境污染已经成为人类生存面临的几大首要问题[1]。其中全球变暖带来的海啸、暴风雪及低温雨雪冰冻灾害性事件在世界频发，冰川消融，海岸线上涨，可供人类和其他生物居住的地方越来越小，全球变暖已经对人类甚至于整个地球生态系统造成了不可忽视的影响。人们认为全球变暖主要是由于人类对于森林，草原等植被的破坏以及在生产生活中大量使用化石原料造成的[2]。植被遭到破坏使得大地过多地吸收了从太阳照射过来的能量，导致气温升高；另一方面，人类活动使得自然界的碳循环失衡，化石燃料燃烧产生的CO2大量积累，而CO2是最主要的温室气体，这是气候变暖的最主要原因[3]。

煤炭是我国的能源主体[4]，且在未找到合适的替代能源之前，煤炭将在较长一段时间内继续作为中国这个有着13亿人口的国家的主要能量来源。煤炭在解决了能源问题的同时，其燃烧产生的CO2也成为了我们目前需要解决的首要问题[5]。节能减排、绿色出行是现代生活的主题，CO2的捕集与再利用也成了科学家研究的热门问题。

1 CO2捕集研究现状

目前对CO2的研究主要集中在CO2分子的捕集、封存与释放这几个方面。其中对CO2捕集与封存的研究最为重要，CO2的捕集主要包括物理吸附法，化学吸收法及生物捕集法。

（a）物理吸收法

物理吸收法指用利用一些对CO2溶解度较大的溶剂在高压低温的条件下对CO2进行溶解吸收的方法。在吸收过程中不会发生化学反应，在低压高温的条件下将CO2释放出来进行再利用。

（b）化学吸收法

化学吸收法是利用含碱或碱性溶液来吸收工业废气中的CO2，将CO2分子转化成CO32-，再在高温条件下将CO2释放出来的方法。碱性溶液可以反复使用，该溶液应对CO2具有较强的选择性且不易挥发、毒性小和不易燃烧等特点。

（c）生物捕集法

生物捕集法指在微藻等生物生长过程中将CO2作为唯一碳源，使其在生长过程中将CO2捕集，固定。藻类生物可以利用CO2快速生长并合成有机物，受到国内外很多研究学者的关注[6]。利用微藻吸收CO2可固定大量工业废气中的CO2，然后利用微藻产生的有机物来制备化工原料。这对于CO2减排、水资源与能源危机全球性问题的解决具有重要的潜在应用价值。

3 CO2在农业方面的应用

在解放初期之前，人们一般认为CO2是一种利用价值较低的气体。但是随着经济的不断发展，人口基数的不断增大，人们生活水平的提高，同时国家科研力度的整体上升，对CO2的利用也有了相当明显的改善，CO2利用的年增长率为5%～8%，体现在各个行业中，工业中的CO2保护焊接，制冷剂以及用于生产各类化工产品；农业中的杀毒剂，植物的光合作用的利用等等，大大的改善了人们的生活，同时也体现了低碳环保循环利用的理念。下面我们将主要从CO2在农业经济方面所带来的好处入手剖析。

（a）促进植物的生长

中国是一个农业大国，从数量上来说，中国拥有近8亿的农民，但是中国用占世界7%的土地養活了世界20%的人口。其次，从历史上来说，中国至今就是一个重视农业的国家，农业贯穿着中国整个历史，如何提高农作物产量一直是我们研究的话题。植物可通过其本身所含有的叶绿素进行光合作用，进而将CO2转变成碳水化合物，提高植物的产量。现如今我国的大棚蔬菜技术的推广也已经证明，在塑料大棚中注入一定浓度的CO2气体，可以加快植物的光合作用，进而缩短植物的生长周期，同时在产率方面提高10～20个百分点。据调查，1tCO2气体可以供应3.33hm2地的大棚使用25d左右[7]。

（b）消毒杀虫的作用

在CO2的环境中具有抗氧化作用和灭菌杀毒的作用，尤其体现在可以完全抑制发霉。所以说CO2在蔬菜，果品以及粮食储存运输中可以起到很好的保鲜保质作用。以前我们储存粮食通常使用熏蒸剂，而通过后期的研究我们发现CO2在储存方面所体现的效果更加优良。美国的艾尔科大米公司进行的工业规模的实验表明，CO2可以穿透装有500t大米的储存库，在通过注入CO224h之后发现，进行实验的大米中的成虫死掉了99%[8]。现如今世界各地广泛使用CO2来代替熏蒸剂来储存粮食，这不仅体现了低碳环保的理念，同时也在降低温室气体的排放方面体现了应有的价值。

4 CO2利用的农业经济价值及前沿成果

CO2利用不好是温室气体，利用恰当就是气体肥料。植物在生长过程中吸收水和CO2，并且通过光合作用将CO2中的碳转化为葡萄糖，这是世界上生命存在的基础。植物进行光合作用的原料碳原子主要有两个来源，一是通过吸收空气中的CO2，二是通过根部吸收土壤中的碳酸氢根阴离子，其中CO2的吸收占主要部分。我省是碳排放大省，如何利用好CO2来造福农业是迫在眉睫的大事。据报道，当温室大棚内CO2浓度大于大气中的2～3倍时，大部分的蔬菜产量可以提高1倍[9]。利用CO2来发展富碳农业，设施蔬菜产量可以大幅增加，可以为全省带来上千亿元的经济效益[10]。在当前我国大力发展绿色经济的基调下，利用CO2作为气体肥料可以得到相关政策的大力支持。

因此，要想利用好CO2必须得从CO2的吸附入手，吸收工艺的水平直接影响到后续整个工程的成本和效果。目前对CO2吸附的研究层出不穷，主要是通过固态胺的吸附。工业吸附剂必须具备以下5点要求：内表面积足够大；具有良好的选择性吸附作用；具有足够大的吸附容量；具有良好的机械强度、热稳定性及化学稳定性；来源广泛，价格低廉，以适应对吸附剂的日益增长的需要。其中以乙醇胺（MEA）对CO2的吸收最为广泛和深入[11]。在已知的研究进展中，满足以上五点要求的吸附剂少之甚少，每一种有机胺都有自身的局限性，如MEA解吸附的速率较慢，对一些材料具有很强的腐蚀性，MDEA吸附速率较低等，目前已知的单一胺吸附剂很难同时解决吸附速率和解吸附速率这两个问题，研究面较窄。但是对于混合胺溶液，研究方向和体系就非常的广泛了，主要有MEA/MDEA混合胺溶液体系、MEA/DETA混合胺溶液体系等，在MEA/DETA体系中，对CO2的吸收率甚至高达72%，并且解吸附的效果也很不错。在未来有机胺吸附剂将主要集中在对混合胺溶液的研究上，因此这种混合体系具有吸收量大，吸附速率和解吸附速率高、能耗较低等优点。

近些年来实践证明，不管是在环境保护方面还是提升农业经济效益方面，施用CO2气体肥料都发挥着越来越大的作用。它是一项投资少、效益高、原料广、操作简单的新技术，目前在国内许多地方已经推广使用开[12]。另外排放CO2较多的工业企业也可以使用CO2吸附技术，捕集CO2所产生的成本将被向下游销售气体肥料的收入抵消，同时也延伸了产业，将企业减排的压力化为经济动力，也大大地减轻了环境负担。

注释：

[1]IPCC Fourth Assessment Report： Climate Change.2007.

[2]IEA（International Energy Agency）. How the energy sector can deliver on a climate agreement in Copenhagen. Special early expert of the World Energy Outlook 2009 for the Bangkok UNFCCC meeting. Oct，2009.

[3]吴兑.温室气体与温室效应.北京：气象出版社，2003.

[4]中国电力企业联合会统计信息部.全国电力工业统计快报（2008年）.2009.

[5]白冰，李小春，刘延锋，等.中国CO2集中排放源调查及其分布特征[J].岩石力学与工程学报，2006，25（S1）：2918-2923.

[6]Mascarelli A L.Gold rush for algae.Nature，2009，461：460-461.

[7]郭宝林.开发利用CO2资源提高企业经济效益[J].燕山油化，1984，（02）：142-146.

[8]国外化工消息，CO2能使米蟲致死，第24期（1982）

[9]程國媛.吃掉CO2农业大发展[N].山西日报，2016-01-28（C03）.

[10]中国科学家建议回收CO2作肥料发展低碳农业[J].种业导刊，2010，（02）：40.

[11]史建公，刘志坚，赵良英，张毅，张敏宏.CO2有机胺吸收剂研究进展[J].中外能源，2014，（09）：16-25.

[12]王兴才，卜芸华，朱寿龄，陈新建，董树贵，王善芝.气肥CO2的应用与经济效益的研究[J].百泉农专学报，1983，（02）：18-23.