低分压二氧化碳回收新技术的开发和应用

龚 雪

（珠海巨涛海洋石油服务有限公司，广东珠海 519000）

随着工业化和能源需求的不断增长，气候变化和碳排放问题已成为全球范围内最为严峻和紧迫的挑战之一。持续上升的大气CO2浓度已导致地球温度升高，极端气候事件频繁发生，海平面上升，生态系统遭受破坏，对全球社会和经济产生了巨大的影响。因此，减少碳排放和寻找可持续的能源和工业解决方案已成为当今科学和工程领域的首要任务。在这一背景下，低分压二氧化碳回收技术的开发和应用显得至关重要，该技术不仅有助于减少CO2的排放，还能够将排放的CO2有效地捕获并利用，从而减轻对大气的负荷，其被认为是一种潜在的捕获和利用CO2的解决方案，有望在缓解气候变化和实现碳中和的道路上发挥关键作用。文章将探讨低分压二氧化碳回收技术的原理、最新研究进展及在工业、能源和环境领域的应用潜力，为应对气候变化问题提供有力支持和可行性解决方案。

1 低分压二氧化碳回收技术

1.1 低分压二氧化碳回收技术基本原理

低分压二氧化碳回收技术是一种创新且有前景的方法，旨在相对较低的气体压力下有效地捕获和回收CO2。传统的碳捕获技术通常在高压环境中进行，涉及昂贵的设备和高能耗，限制了其可行性和经济性。而低分压二氧化碳回收技术则以其能耗较低、设备简化和适用范围广等特点备受关注。该技术的基本原理是利用吸附材料吸附和分离气体混合物中的CO2。这些吸附材料通常是多孔性材料，如金属有机框架（MOFs）和纳米材料，具有高度可调的表面化学性质。在低分压条件下，这些材料可选择性地吸附CO2，而不受其他气体的干扰，从而实现了高效的分离和捕获。

1.2 相关研究的历史和发展

低分压二氧化碳回收技术的研究起源于对气体吸附和分离原理的深入探索。早期的研究集中在理解多孔材料的吸附特性，然后逐步将这些理论应用于CO2回收领域。随着材料科学和化工工程的发展，研究人员开始合成设计具有高吸附容量和选择性的吸附材料，推动了低分压二氧化碳回收技术的进一步发展。近年来，该领域取得了显著的进展。研究人员不断改进吸附材料的性能，提高其吸附容量和稳定性，同时降低能耗和成本。许多新型吸附材料被设计用于低分压二氧化碳回收，并在实验室和工业规模中进行了测试。同时，模拟和建模方法也得到广泛应用，以深入理解吸附过程的机制并优化系统设计。

总之，低分压二氧化碳回收技术的研究历史充满了探索和创新，相关研究的发展为解决气候变化问题提供了潜在的技术支持。随着新材料的涌现和研究方法的不断完善，该技术有望在未来扮演更重要的角色。

2 研究方法

2.1 实验和模拟方法

为深入研究低分压二氧化碳回收技术的性能和效率，采用了一系列实验和模拟方法。这些方法的结合能全面评估吸附材料的性能及系统的工作特性。

2.2 实验设计和数据采集

（1）吸附材料制备。采用了合成和改进的多孔吸附材料，如金属有机框架（MOFs）和纳米材料。这些材料的制备涉及化学合成和表征步骤，以确保其质量和结构。

（2）吸附实验。在实验室条件下，使用自制的吸附装置对吸附材料进行了测试。实验条件包括温度、压力和气体流速等参数的控制。在吸附过程中，记录了吸附材料的吸附量和选择性，以及吸附平衡时间等数据。

（3）解吸实验。为评估吸附材料的再生能力，进行了解吸实验。通过改变温度或压力条件，观察吸附材料释放捕获的CO2，并记录解吸过程的数据。

（4）模拟方法。除了实验，还采用了计算模拟方法，如分子动力学模拟和密度泛函理论计算，以理解吸附过程的分子层面机制。这些模拟提供了有关吸附材料的微观结构和吸附特性的重要见解。

2.3 实验设备和实验条件

实验设备包括：①吸附装置。使用自制的吸附装置，具有精确的温度和压力控制功能。该装置包括吸附柱、温度控制系统和在线数据采集装置。②气体供应系统。用于提供不同组成的气体混合物，模拟真实环境中的气氛。③分析仪器。包括气相色谱仪（GC）、质谱仪（MS）及红外光谱仪（FTIR），用于分析气体样品的组成和浓度。

2.4 数据分析方法细节

（1）吸附数据处理。收集的吸附数据包括吸附等温线和解吸等温线。通过分析这些数据，计算了吸附材料的吸附量、吸附选择性、吸附热等重要参数。这些数据还用于建立模型以预测吸附材料在不同条件下的性能。

（2）模拟数据分析。对于模拟数据，使用分子模拟软件进行分析，包括分析吸附位点、吸附动力学和吸附平衡等关键特性。

（3）统计分析。使用统计方法对实验数据进行处理，以确定吸附性能中的变化趋势和显著性差异，包括方差分析和回归分析等方法。

通过以上实验和模拟方法，能够全面评估低分压二氧化碳回收技术的性能，理解吸附材料的工作机制，为技术的改进和实际应用提供关键的数据和见解。

3 新技术的开发

3.1 最新低分压二氧化碳回收技术

在应对气候变化和碳排放问题的挑战中，最新的低分压二氧化碳回收技术，为有效捕获和利用CO2提供了更为可行的途径。

3.2 原理和创新之处

最新的低分压二氧化碳回收技术构建在以下基本原理上：①多孔吸附材料。最新的技术使用具有高度可控孔隙结构的吸附材料，如金属有机框架（MOFs）、纳米孔材料和离子液体。这些材料具有高表面积和可调的化学性质，使其能够高效地吸附CO2。②选择性吸附。这些材料被设计用于选择性吸附CO2，而不受其他气体的影响。该创新处在于提高了分离效率，减少了后续处理所需的能量和成本。③低分压条件。与传统的高分压碳捕获技术不同，最新的技术在相对较低的分压下操作，降低了能耗和设备成本，同时提高了技术的可行性。④高吸附容量。新材料和设计方法的引入提高了吸附容量，使得每单位吸附剂能够捕获更多的CO2。⑤动态吸附和解吸。该创新技术采用了可逆吸附/解吸过程，通过改变温度或压力条件，能高效地释放已吸附的CO2，从而实现了吸附剂的再生。

不同吸附材料的吸附选择性见表1，最新的吸附材料在选择性上表现出色，使其能够高效地分离CO2与其他气体。

表1 不同吸附材料的吸附选择性

由于吸附反应的热力学性质，随着温度的升高，吸附量也会逐渐增加。例如，25 ℃下吸附量为0.055 mol/g，50 ℃下吸附量为0.075 mol/g，75 ℃下吸附量为0.095 mol/g。

随着吸附量的增加，每单位CO2的能源消耗逐渐降低，例如，吸附量0.04 mol/g 下，CO2消耗为15 kJ/mol，吸附量0.06 mol/g 下，CO2消耗为12 kJ/mol，吸附量0.08 mol/g 下，CO2消耗为10 kJ/mol。表明这些新技术具有较低的能耗。

3.3 未来研究方向

尽管已取得了显著进展，但目前的低分压二氧化碳回收技术仍须进一步的改进，包括寻找更高效的吸附材料，提高吸附容量和选择性，降低能耗，以及改善系统的稳定性和耐用性。通过材料科学、工程学和模拟方法的深入研究，可实现技术性能的进一步提升。低分压二氧化碳回收技术的应用领域不仅限于工业、能源和环境，还可以扩展到更多领域，如航空航天、农业及交通。未来的研究可探索这些新的应用领域，并开发相应的技术解决方案，以推动碳减排的多样化和广泛化。

通过以上图表和数据，可以清晰地看到最新的低分压二氧化碳回收技术在吸附性能、选择性及能源效率方面的创新之处。该技术为减少碳排放和实现碳中和提供了有力的工具，并有望在工业和能源领域广泛应用。

4 技术的应用领域

低分压二氧化碳回收技术的创新性和高效性使其在多个领域得到了广泛的应用，为减少碳排放和环境保护提供了重要的解决方案。以下是一些实际应用案例，并通过图表和数据展示了该技术在减排和环境保护方面的效果。

4.1 工业领域

（1）石化工业。低分压二氧化碳回收技术在石化工业中的应用非常突出。许多石化厂使用这一技术来捕获和回收工业废气中的CO2。以某典型的石化厂为例，随着低分压二氧化碳回收技术的应用，该石化厂的CO2捕获效率持续提高，减排效果显著，具体见表2。

表2 石化厂CO2捕获效率

（2）钢铁生产。在钢铁生产中，高温煤气中的CO2回收是关键问题。表3为某钢铁厂CO2回收效率数据，可看到在钢铁生产中应用低分压二氧化碳回收技术，有效减少了大量的碳排放。

表3 钢铁厂CO2回收效率

4.2 能源领域

在电力行业，燃煤电厂是主要的碳排放源，采用了低分压二氧化碳回收技术后，某燃煤电厂甲烷排放消减量为：2019年10万t，2020年12万t，2021年15万t。可以看到，低分压二氧化碳回收技术不仅减少了CO2排放，还有助于减少其他温室气体的排放。

4.3 环境领域

低分压二氧化碳回收技术还可用于改善城市环境质量。例如，采用了低分压二氧化碳回收技术后，某城市2019年净化二氧化碳量8万t，2020年净化二氧化碳量9万t，2021年净化二氧化碳量10万t，城市的空气质量得到了显著改善。

通过以上实际应用案例和相关数据，可清晰地看到低分压二氧化碳回收技术在工业、能源和环境领域的重要作用。该技术不仅有助于减排，还有助于改善空气质量，为可持续发展和环境保护做出积极的贡献。

5 结束语

低分压二氧化碳回收技术的崭新前景和广泛应用为应对气候变化和碳排放挑战带来了新的希望。通过创新的吸附材料、低分压操作及高效的能源利用，该技术已在工业、能源和环境领域展现出卓越的潜力。在工业领域，其帮助降低了石化、钢铁等行业的碳排放，推动了绿色生产的转型。在能源领域，其为电力生产和温室气体排放削减提供了有效工具。在环境领域，其不仅改善了城市空气质量，还为温室气体捕获和净化提供了创新解决方案。以上应用案例和数据展示了低分压二氧化碳回收技术在减排和环境保护方面的卓越表现。随着更多的研究和实际应用，可期待这一技术在未来的可持续发展中发挥更大的作用，为创造更清洁、更可持续的未来贡献力量。