用于二氧化碳捕获的固体吸附剂研究概述

娜斯曼·吐尔逊

（新疆师范大学化学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 CO2 捕获技术简介

随着CO2的过度释放，导致大自然自身的CO2净化能力正在急剧下降[1]。CO2体积分数已从280×10-6上升到400×10-6，全球表面温度增加0.8 ℃[2]，最新的CO2体积分数更是达到408.8×10-6[3]。Leung 等[4]通过数据分析预测到截至21 世纪末，CO2平均体积分数将再次升高到达600×10-6～700×10-6，且全球平均温度将再次升高4.5 ℃～5.0 ℃。如果全球森林覆盖面积都得到有效恢复，也就只能减轻每年全球CO2排放量的11%[5]。因此，对目前现有的高浓度CO2，最迫切的需求就在于积极开发基于CO2捕获和储存（CCS）的新技术[6]。

CO2捕获是指燃烧后的烟气通过分离设备以得到浓度较高的CO2的过程。在燃烧过程中形成CO2，燃烧过程的类型直接影响到适当的CO2去除过程的选择。CO2捕获技术已实现市场化，但通常很昂贵，包括捕获、运输和储存费用在内，其成本占整个CCS 系统总成本的70%～80%[7]。因此，降低成本和减少能源消耗是需要解决的主要问题。目前，燃烧前捕获，燃烧后捕获及富氧燃烧是主要的CO2捕获技术。

2 用于CO2 捕获的固体吸附剂

2.1 物理吸附剂

2.1.1 活性炭类吸附剂

活性炭对CO2的吸附属于物理吸附，但由于温度过高反而不利于吸附，因此放热反应不利于活性炭对于CO2的吸附。Guo 等[8]制备出PEI/AC、K2CO3/AC、PEI-K2CO3/AC 等活性炭基吸附剂，也因上述内容表现出了优异的吸附性能。其中，碱金属活性炭三元复合物PEI-K2CO3/AC 的CO2吸附性能最好，它的选择性增大、耐水性升高，吸附量可以达到3.6 mmol/g。提高活性炭材料在低压下的吸附能力以及分离选择性是目前研究的重点[9]。

2.1.2 其他物理吸附剂

物理吸附剂除了活性炭吸附剂，常用的还有分子筛吸附剂和金属氧化物吸附剂。众所周知，沸石分子筛主要以碱金属和碱土金属氧化物的结晶组成的硅铝酸盐。它的结构差异可以使孔隙大小有不同程度的变化，从而可达到对不同分子大小物质的分离。沸石分子筛吸附剂用处很多，但常用在气体分离和净化中，比如空气制氮、CO2的分离与纯化等。温度越高，吸附能力越低。Lila 等[10]已经研究了用ASRT 5A 分子筛吸附除去太空舱中的CO2，与25 ℃时作比较，175 ℃时的吸附量只有之前的24%。可以看出，其吸附量也是随着温度的升高而降低。

2.2 化学吸附剂

2.2.1 钠基吸附剂

CO2捕获技术中，钠基吸附剂因再生温度和价格低而广受欢迎。据最新碳酸钠基吸附剂研究报道，为了改善碳酸钠基吸附剂对CO2的捕获性能，用对苯二甲酸和NaOH 制备出了Na2CO3-碳纳米复合材料以及测定了该吸附剂反应速率和再生温度。经过10 个循环的CO2捕获实验，吸附剂表现出稳定的性能，捕集CO2的速度比Na2CO3快，CO2吸附量达到220 mg/g～230 mg/g，可在提高反应速率和降低再生温度的条件下能有效地捕集CO2[11]。

2.2.2 钾基吸附剂

钾基吸附剂，除具备碱金属基吸附剂成本低，无腐蚀和二次污染等优点外，表现出了优越的反应性，耐用性和转化率高等优势[11]。

Lee 等[13]使用钾基吸附剂，通过在不同载体如活性炭（AC），TiO2，Al2O3，MgO，SiO2和各种沸石上浸渍碳酸钾制备出吸附剂，在不同温度条件下的多次循环期间（在333K 下捕获CO2，并在403 K～673 K 下再生），固定床反应器中在水存在下测量CO2捕获能力和再生性质。图1 显示了吸附剂的总CO2捕获容量。

图1 不同的吸附材料的CO2 吸附量[12]

最新K2CO3基吸附剂研究报道显示，为了改善K2CO3基吸附剂对CO2捕获性能，制备出了K2CO3-碳纳米复合材料以及测定了该吸附剂反应速率和再生温度。经过10 个循环的CO2捕获实验，它表现出稳定性，捕集CO2的速度比K2CO3快，CO2吸附量达到166 mg/g～210 mg/g。

3 结论与展望

因为化石燃料仍然是主要的能源来源，CO2捕获与封存技术将成为缓解大气温室气体浓度的主要选择。作为一种减少CO2排放新技术，CO2捕获和封存仍有不足之处需要不断研究完善。本文综述了各种吸附剂对于CO2的吸附研究概况。虽然各类吸附剂在CO2捕获中各有千秋，但未完全满足当前节能减排对高效低成本吸附剂开发的迫切需求。对比可知，这些吸附剂当中碱金属吸附剂包括碳酸钠基和碳酸钾基复合吸附剂捕获CO2的速度比Na2CO3和K2CO3快，但具有继续研究的空间。例如，反应速率慢或吸附剂再生的成本高等使得此类材料应用出现局限性。同时节能减排的前提下发展利用吸收的CO2制备出附加值更高的吸附材料也很重要。因此寻找具有高效吸附能力、低成本，无污染的吸附剂是今后研究的重点。活性炭吸附剂是固体吸附剂当中应用最多且性能较佳的吸附剂，在今后的研究中有望作为载体与Na2CO3、K2CO3或二者的碳纳米复合材料相结合成为多元复合吸附剂，提供更强吸附性能，其研究前景更为广泛。