二氧化碳吸附劑材料：為碳中和助力，需進(jìn)一步擴大應用

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)是相對成熟且應用最多的一種技術(shù)。隨著(zhù)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(diǎn)之一。

二氧化碳是最主要的溫室氣體，隨著(zhù)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)展以及應用場(chǎng)景的擴大，基于吸附技術(shù)實(shí)現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(diǎn)之一。

固體吸附劑材料對環(huán)境友好

在二氧化碳分離、捕集技術(shù)中，吸附技術(shù)是相對成熟并且應用最多的一種技術(shù)。吸附技術(shù)具有能耗低、操作簡(jiǎn)單、吸附量大、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，與吸附技術(shù)相配套的二氧化碳吸附劑材料種類(lèi)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(jìn)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(guò)化學(xué)反應生成碳酸鈣。

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(diǎn)。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)狀結構，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(chēng)為分子篩。分子篩的吸附是一種物理過(guò)程，通過(guò)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(guò)時(shí)，其中的分子會(huì )碰撞到吸附材料表面，并聚集于此，從而使氣體中的分子數目減少，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(jiǎn)稱(chēng)藍曉科技)董事長(cháng)高月靜說(shuō)，目前全球范圍內，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，對設備腐蝕較大。

不過(guò)，隨著(zhù)科技的進(jìn)步，液體吸附劑材料也在不斷改進(jìn)和優(yōu)化。鄭州大學(xué)化工學(xué)院、中國科學(xué)院過(guò)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狀及展望》顯示，因具有極低揮發(fā)性、強氣體親和性、可調的結構性質(zhì)等特點(diǎn)，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)，導致吸附效果差或者無(wú)法直接應用于吸附分離過(guò)程。

而負載型離子液體是將離子液體與有機或無(wú)機多孔材料，通過(guò)物理或化學(xué)方法結合而形成。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(wèn)題，提高了二氧化碳吸附效率。通過(guò)離子液體和載體的不同結合方式，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

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)出一種智能光響應吸附劑材料，實(shí)現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《德國應用化學(xué)》上。

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

為了減小吸附—脫附過(guò)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成分，使其和活性位點(diǎn)發(fā)生作用，在不同光照條件下，響應分子的構型發(fā)生轉變，進(jìn)而對活性位點(diǎn)的性質(zhì)進(jìn)行了調節，實(shí)現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(diǎn)進(jìn)行調試，最終實(shí)現了對二氧化碳的可控性捕集。”孫林兵說(shuō)，這種新的吸附—脫附調控機制相較于傳統的變溫、變壓吸附大大降低了能耗。

無(wú)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(jià)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(guò)高，水分子會(huì )通過(guò)競爭吸附、孔隙堵塞等顯著(zhù)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(kāi)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(cháng)”在功能性碳材料中，制備出復合材料。這種復合材料具有耐久性、高比表面積和疏水性能，可以在高濕工況下實(shí)現高效二氧化碳捕集。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用

“目前，對二氧化碳吸附劑材料的研究很多，但絕大多數還處于基礎研究階段。”孫林兵說(shuō)，有些吸附劑材料在小范圍的某些特殊場(chǎng)景下已有應用，但大范圍應用吸附劑材料還是相對少見(jiàn)。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(jìn)一步綜合評估其成本和經(jīng)濟效益情況。

開(kāi)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(lái)商業(yè)化應用的關(guān)鍵。高月靜說(shuō)，創(chuàng )新研發(fā)二氧化碳吸附劑材料是企業(yè)工作的重點(diǎn)方向之一。藍曉科技通過(guò)與歐洲大型化學(xué)品公司的合作，已經(jīng)實(shí)現了向歐洲市場(chǎng)提供二氧化碳吸附劑材料，并形成了商業(yè)化應用案例。

不過(guò)，《負載型離子液體吸附分離二氧化碳的研究現狀及展望》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(shí)驗室研究，要實(shí)現大規模應用，還需要解決多方面的問(wèn)題。比如工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復雜多樣，盡管目前設計、研究出用于吸附的材料種類(lèi)很多，但還需要在現有基礎上進(jìn)一步發(fā)展出更多種類(lèi)的吸附劑材料，以滿(mǎn)足使用要求;吸附劑材料在各類(lèi)環(huán)境中吸附、脫除二氧化碳時(shí)，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(cháng)周期循環(huán)穩定性等還需要更多的實(shí)驗數據進(jìn)行驗證，為其實(shí)際應用提供支撐。

孫林兵說(shuō)，隨著(zhù)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(huì )再進(jìn)一步降低，使用的范圍和場(chǎng)景也可能會(huì )隨之擴大和增加。