二氧化碳是最主要的溫室氣體，在二氧化碳分離、捕集技術(shù)中，吸附技術(shù)是相對成熟且應(yīng)用最多的一種技術(shù)。隨著我國“雙碳”目標的提出，與吸附技術(shù)相配套的二氧化碳吸附劑材料也廣受關(guān)注，低成本、高效率的二氧化碳吸附劑材料成為當前研究和產(chǎn)業(yè)化的熱點之一。

二氧化碳是最主要的溫室氣體，隨著我國“雙碳”目標的提出，二氧化碳捕集、封存和利用(CCUS)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用場景的擴大，基于吸附技術(shù)實現(xiàn)二氧化碳捕集也廣受關(guān)注。其中，研發(fā)低成本、高效率的二氧化碳吸附劑材料成為當前研究和產(chǎn)業(yè)化的熱點之一。

固體吸附劑材料對環(huán)境友好

(資料圖片)

在二氧化碳分離、捕集技術(shù)中，吸附技術(shù)是相對成熟并且應(yīng)用最多的一種技術(shù)。吸附技術(shù)具有能耗低、操作簡單、吸附量大、循環(huán)性能好等優(yōu)點，與吸附技術(shù)相配套的二氧化碳吸附劑材料種類較多，總體而言，可分為固體吸附劑材料與液體吸附劑材料。

東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張友法介紹，固體吸附劑材料具有較弱的腐蝕性，而且吸附能耗低，具有安全性和環(huán)境友好性等優(yōu)勢，將其應(yīng)用到二氧化碳捕集中具有很好的效果。固體吸附劑材料還包括了高溫吸附劑材料和低溫劑吸附材料。其中，高溫吸附劑材料以氧化鈣吸附劑材料為代表，能夠在高達600℃的溫度下對二氧化碳進行吸附。由于氧化鈣吸附劑材料屬于堿性物質(zhì)，二氧化碳屬于酸性氣體，因此其能較為容易地吸附二氧化碳，這兩種物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣。

低溫吸附劑材料包括活性炭、沸石等，除了不能在較高溫度下吸附二氧化碳外，具有較好的二氧化碳吸附效率和再生性能等優(yōu)點。以沸石為例，它是自然界中存在的一種天然硅鋁酸鹽，具有納米級的均勻孔徑，形成相互連接的通道和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有篩分分子、吸附、離子交換和催化作用，人工合成的沸石又被稱為分子篩。分子篩的吸附是一種物理過程，通過分子引力作用在固體表面產(chǎn)生一種“表面力”，當二氧化碳氣體流過時，其中的分子會碰撞到吸附材料表面，并聚集于此，從而使氣體中的分子數(shù)目減少，達到分離、清除的目的。由于吸附不發(fā)生化學(xué)變化，因此只要設(shè)法將聚集在表面的分子“趕跑”，“再生”的分子篩就又具有吸附能力了。

液體吸附劑材料成本較低

作為二氧化碳吸附劑材料生產(chǎn)企業(yè)之一，西安藍曉科技新材料股份有限公司(以下簡稱藍曉科技)董事長高月靜說，目前全球范圍內(nèi)，工業(yè)化的二氧化碳捕集技術(shù)以溶劑吸附法為主，核心吸附材料為液體有機胺化合物。液體胺吸附效果好、成本低，但是再生能耗高，對設(shè)備腐蝕較大。

不過，隨著科技的進步，液體吸附劑材料也在不斷改進和優(yōu)化。鄭州大學(xué)化工學(xué)院、中國科學(xué)院過程工程研究所等單位的科研人員發(fā)表的文章《負載型離子液體吸附分離二氧化碳的研究現(xiàn)狀及展望》顯示，因具有極低揮發(fā)性、強氣體親和性、可調(diào)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)等特點，離子液體在二氧化碳捕集分離領(lǐng)域逐漸顯示出獨特的優(yōu)勢。但離子液體通常黏度較高，或在室溫下呈固態(tài)，導(dǎo)致吸附效果差或者無法直接應(yīng)用于吸附分離過程。

而負載型離子液體是將離子液體與有機或無機多孔材料，通過物理或化學(xué)方法結(jié)合而形成。作為二氧化碳吸附劑材料，負載型離子液體兼具離子液體和多孔材料的共同優(yōu)勢，不僅能提升選擇性分離效果，還能有效避免采用離子液體直接吸收二氧化碳的高黏度問題，提高了二氧化碳吸附效率。通過離子液體和載體的不同結(jié)合方式，負載型離子液體可分為物理負載型、化學(xué)負載型離子液體，其合成方法通常為浸漬法、鍵合法、溶膠—凝膠法等。與離子液體結(jié)合的多孔材料，主要包括硅基、聚合物、活性炭、沸石與金屬有機骨架等。

新型吸附劑材料不斷出現(xiàn)

當前，我國在二氧化碳吸附劑材料研發(fā)方面不斷取得新突破。如南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院劉曉勤教授、孫林兵教授課題組研發(fā)出一種智能光響應(yīng)吸附劑材料，實現(xiàn)了對二氧化碳的低能耗、可控式捕集。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際知名期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》上。

在工業(yè)上的吸附分離操作中，傳統(tǒng)吸附劑材料通常需要在變溫或變壓條件下實現(xiàn)其循環(huán)使用，也就是在常溫下吸附、升溫時脫附或在加壓下吸附、減壓后脫附。“但問題是，這個吸附—脫附的過程能耗較高。”孫林兵說，材料能吸附二氧化碳，材料本身就必須具備吸附活性位點，否則就無法實現(xiàn)選擇性吸附。

為了減小吸附—脫附過程的能耗，課題組在吸附劑材料中引入諸如偶氮苯等光響應(yīng)成分，使其和活性位點發(fā)生作用，在不同光照條件下，響應(yīng)分子的構(gòu)型發(fā)生轉(zhuǎn)變，進而對活性位點的性質(zhì)進行了調(diào)節(jié)，實現(xiàn)二氧化碳的吸附和脫附。

“我們在不同光照條件下，對活性位點進行調(diào)試，最終實現(xiàn)了對二氧化碳的可控性捕集。”孫林兵說，這種新的吸附—脫附調(diào)控機制相較于傳統(tǒng)的變溫、變壓吸附大大降低了能耗。

無獨有偶，張友法團隊發(fā)明了一種用于潮濕條件下高效捕集二氧化碳的改性活性炭材料。由于價格低廉、豐富和可定制的物理、化學(xué)特性，活性炭成為工業(yè)化應(yīng)用中最具潛力的吸附劑材料之一。但工業(yè)煙氣中往往含有大量的水蒸氣，當煙氣中水蒸氣濃度過高，水分子會通過競爭吸附、孔隙堵塞等顯著降低吸附劑材料的二氧化碳捕集效率，因此人們迫切需要開發(fā)新技術(shù)以減少水蒸氣對活性炭吸附性能的影響。張友法團隊讓疏水性有機框架材料，原位“生長”在功能性碳材料中，制備出復(fù)合材料。這種復(fù)合材料具有耐久性、高比表面積和疏水性能，可以在高濕工況下實現(xiàn)高效二氧化碳捕集。這項技術(shù)還廣泛適用于其他遭受水蒸氣競爭吸附影響的吸附材料生產(chǎn)中。

有些吸附劑材料已有小范圍應(yīng)用

“目前，對二氧化碳吸附劑材料的研究很多，但絕大多數(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段。”孫林兵說，有些吸附劑材料在小范圍的某些特殊場景下已有應(yīng)用，但大范圍應(yīng)用吸附劑材料還是相對少見。在產(chǎn)業(yè)化方面，吸附劑材料的使用還需要跟生產(chǎn)所采用的工藝耦合，并需要進一步綜合評估其成本和經(jīng)濟效益情況。

開發(fā)兼具高吸附容量、低成本的二氧化碳吸附劑材料被認為是CCUS技術(shù)未來商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。高月靜說，創(chuàng)新研發(fā)二氧化碳吸附劑材料是企業(yè)工作的重點方向之一。藍曉科技通過與歐洲大型化學(xué)品公司的合作，已經(jīng)實現(xiàn)了向歐洲市場提供二氧化碳吸附劑材料，并形成了商業(yè)化應(yīng)用案例。

不過，《負載型離子液體吸附分離二氧化碳的研究現(xiàn)狀及展望》也指出，盡管目前報道的負載型離子液體用于二氧化碳吸附分離的研究較多，但主要還局限于實驗室研究，要實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，還需要解決多方面的問題。比如工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多樣，盡管目前設(shè)計、研究出用于吸附的材料種類很多，但還需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步發(fā)展出更多種類的吸附劑材料，以滿足使用要求;吸附劑材料在各類環(huán)境中吸附、脫除二氧化碳時，往往還存在其他雜質(zhì)氣體的干擾，如工業(yè)煙氣中常含有二氧化硫、二氧化氮等酸性氣體，密閉空間和空氣中常含有大量的水蒸氣等;復(fù)雜組分下二氧化碳與吸附劑材料的作用關(guān)系、選擇性和長周期循環(huán)穩(wěn)定性等還需要更多的實驗數(shù)據(jù)進行驗證，為其實際應(yīng)用提供支撐。

孫林兵說，隨著技術(shù)的發(fā)展，二氧化碳吸附劑材料生產(chǎn)和使用的成本也會再進一步降低，使用的范圍和場景也可能會隨之擴大和增加。

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