从低浓度地球大气直接捕获低浓度二氧化碳

【气候变化背景】

近年来，由化石燃料 (煤、石油和天然气)大量使用所造成的CO2过量排放导致了温室效应的加剧，这引起全球温度的升高并继而产生一系列的环境问题。图1显示了近一百多年来全球地表平均温度的变化情况。由图1可以看出，1970年以后地表温度显著升高，目前的地表平均温度已较1970年升高了近1℃。气候变化国际研究组织 (IPCC) 的研究 告指出，到2050年，CO2的排放量将从目前的36Gt/年上升至48~55Gt/年，能源利用率同比增长40%~150%。目前，大气中CO2浓度为410ppm，远高于工业革命以前280ppm的浓度水平。据预测，大气中CO2含量在2100年之前将达到530-980ppm，CO2浓度的升高将会导致1990年至2100年全球平均气温升高1.4~6.1℃。

图1 全球温度随时间的增长

为什么需要直接从大气捕捉二氧化碳？

人类在可预见的未来对能源的使用依然主要（85%）来自传统化石能源。未来CO2排放量增加的不同预测如图2所示。从1900年到2017年，大气中CO2浓度从280ppm缓慢增加至400 mg/m3。2017年以后，有以下几种不同的预测：第1种情况是继续大量消耗化石燃料，CO2浓度与之前一样呈指数增长，在此前提下，CO2浓度在本世纪将迅速达到450 ppm；第2种情况是CO2排放量维持在2010年的水平，在此前提下，CO2浓度将比第1种情况晚几年超过450 ppm。450ppm的CO2浓度被IPCC指定为影响气候变化的危险阈值；第3种情况是以目前1/3的排放速度继续排放CO2，大气中的CO2浓度仍将缓慢上升，但迟早会达到450 ppm。

此外，图2中粗线表示从大气中吸附CO2以降低大气中CO2的浓度。IPCC将这种方法命名为“负排放”，这意味着永久地从大气中移除CO2，这种情况下大气中CO2的浓度几乎不会达到450 ppm的危险阈值，从而可以避免全球变暖的风险。因此，我们必须关注化石燃料的利用，在研究从固定排放源捕集CO2的同时，还应着重研究从空气中直接捕集CO2的技术。

解决由温室气体排放引起的全球气候变化的紧迫性正在增加。特别是大气中二氧化碳水平的上升正在引起警 。最近，出现的空气中去除二氧化碳或“直接空气捕获”（DAC）的技术可以促进“负碳排放”。表面化学和材料合成的最新进展已产生了新一代的CO2吸附剂，这些吸附剂是树木吸附吸附效率的2000倍以上。这样，在减少空气中二氧化碳的同时不会影响耕地的使用。这些特点可能会推动“直接空气捕获”（DAC）的技术及其未来大规模部署。

图2 空气中二氧化碳浓度和时间的关系

【内容详情】

一、空气捕捉二氧化碳的优势

1. 补偿移动式的CO2排放：全球1/3到1/2的二氧化碳由小型工厂，汽车，飞机排除。这部分排放的二氧化碳很难集中你捕捉，但是可以由空气捕捉二氧化碳技术解决。

2. CO2的捕捉地点转移到封存地点。传统的电厂捕捉和储存二氧化碳技术需要将捕捉到的CO2运送到存储低点。管道铺设昂贵，而且有法律许可的困难。相比之下，空气捕捉二氧化碳可以在储存地点操作，消除了昂贵的二氧化碳运输系统。

3. 提供泄露保险：空气捕捉二氧化碳还可以重新捕获来自CO2储存地点CO2泄漏。

4. 形成碳循环闭回路：除非最终将所有二氧化碳从大气中清除，否则人类使用基于碳的燃料是不可持续的。空气捕捉二氧化碳可以通过永久全部捕获人类排放到大气中的CO2。同时，也可以将捕获的CO2与H2O和可再生能源结合起来，生产新的人造燃料。

5. 为其他工业过程提供碳原料：从大气中吸收的CO2可以成为生产碳基材料的原料。从用于水泥固化的二氧化碳到用于广泛行业的塑料，碳纤维和碳复合材料原料。

6. 负排放：大气中的CO2浓度从工业化前的280 ppm上升到今天的410 ppm，而自1880年以来，全球平均温度已升高了约1.1CC。即使大气中的CO2浓度保持恒定，全球温度也会进一步上升。大量捕获空气中的二氧化碳才可以形成净负排放，从而减少大气，海洋和陆地生物量中的过量二氧化碳。

二、空气捕捉二氧化碳的吸附剂

空气中捕集CO2技术一般采用物理吸附或化学吸附的形式。吸附剂可以是液态，也可以是固态。现存的大多数DAC吸附剂是固体的。

2.1 物理吸附材料

物理吸附材料包括活性炭，沸石，MOFs，COFs，以及新型材料。物理吸附系统的主要缺点在于其较低的吸附热，这导致其对空气中低浓度CO2吸附能力低。此外，水蒸气的竞争吸附会对二氧化碳的选择性和吸附能力产生不利影响。

图3 固态物理吸附剂

2.2 化学吸附材料：胺改性材料

胺改性吸附剂主要包括将胺基嫁接或者灌入到多孔材料上，从而通过化学反应吸收二氧化碳，并通过加热实现再生。胺改性吸附剂可根据其制备方法分为三类，每种吸附剂的实例如图4所示。第一类吸附剂可通过将胺物理浸渍到多孔材料中来制备，但低分子量胺在吸附剂的吸附和再生过程中容易浸出。第二类吸附剂是通过将胺官能团化学嫁接到多孔材料上而制得的，从而在再生过程中稳定吸附剂。第一类吸附剂的容量比第二类的吸附剂高，因为它们的胺含量更高。第三类吸附剂由无机载体和化学嫁接多胺组分组成。多胺组分是通过含胺单体的原位聚合制备的。

图4 三种类型的胺吸附剂

2.3 湿度循环吸附剂

一系列湿度循环二氧化碳吸附剂可以在干燥的环境中吸附二氧化碳，潮湿的条件下释放二氧化碳，如图5。这些材料可以克服胺的吸附剂的高能耗成本，因为它们通过湿度代替温度来再生材料。由于不需要加热和冷却装置，从而避免了热量在吸附剂结构中的传入和传出，潮气波动可以简化系统设计。科研人员也可以通过添加热循环或真空辅助来增强吸附剂的工作性能。例如，用于生产液态CO2的压缩机提供的废热，来提供低程度的热波动来增加湿度波动。

图5 湿度循环空气捕捉二氧化碳技术

【展望】

1. 固体吸附剂对于从环境空气中捕获二氧化碳至关重要。据 道，许多吸附剂吸收二氧化碳，但是它们各有利弊。直接空中捕获仍处于起步阶段，仍然存在许多挑战。许多吸附剂依赖于热循环。能量需求通常非常大，这是因为要加热的体积很大并且水蒸气蒸发需要吸热。而且由于基体的存在，进一步加剧了热再生的能源成本。这些材料增加了热容量，而没有直接促进二氧化碳的捕集。科研人员可以选择具有快速传热和传质功能的吸附剂薄涂层，使再生时间短于加热支撑结构所需的时间，从而减少进入支撑结构的能量损失。

2. 吸附剂设计面临的其他挑战是吸附剂稳定性，吸附剂动力学和吸附剂容量。在热力学上，许多吸附剂足以从周围的空气中捕获二氧化碳，并且许多吸附剂的强度很弱，易于再生。但是，稳定性，动力学和吸附量仍需要改进。

3. 现在的空气捕捉二氧化碳的研究 献，几乎没有关于稳定性和寿命以及吸附剂循环持续时间的数据。 章的分析表明，空气捕捉二氧化碳需要经历数万次循环。因此今后的研究需要提高吸附剂的稳定性。

4. 吸附剂吸附和脱附CO2的时间，对于降低成本非常重要。动力学受结合能以及向多孔材料中的扩散以及吸附剂材料的几何形状的影响。许多吸附剂需要较长的吸附时间。在典型的设计中，流经过滤器系统的空气应该携带一定比例的二氧化碳。改进的动力学可以降低成本，但是如果吸附剂的寿命较长，那么这种效果将不会很大。因为随着时间的推移，它们会降低捕捉技术的成本。

5. 吸附剂拥有高吸附量可以降低捕获二氧化碳的成本。对于胺吸附剂，需要考虑吸附剂的分子量，因为大分子会阻塞孔洞从而降低动力学性能。为了提高湿气吸收剂的容量，可以制备具有更高电荷密度的离子交换树脂，并且可以在不同的湿度条件下使用具有不同阳离子距离的材料。但是，这些参数之间的相互作用尚未被探讨。

6. 总体而言，吸附剂对于DAC的成功至关重要，而且还有很大的改进空间。发展需要迅速取得进展，因为全球变暖迫不及待。在未来的研究中，应评估DAC吸附剂的所有方面，例如吸附剂的稳定性，吸附动力学，吸附能力，选择性，再生能量损失和成本。 章最后指出，人类必须使用节能高效的二氧化碳吸附剂来解决全球气候变化问题。

Xiaoyang Shi, Hang Xiao, Habib Azarabadi, Juzheng Song, Xiaolong Wu, Xi Chen, and KlausS. Lackner. Sorbents for Direct Capture of CO2from Ambient Air.Angewandte Chemie International Edition, 2019,DOI:10.1002/anie.201906756