直接空气捕集二氧化碳技术研究进展

直接空气捕集(DAC)二氧化碳技术作为负碳排放技术的一种,可助力实现“双碳”目标,是一项极具发展前景的碳捕集技术。本文简述了DAC的发展历史与现有DAC项目的运行及发展情况,介绍了碱性氢氧化物溶液、胺溶液、氨基酸盐溶液/BIGs与碱度浓度变化四种液体DAC技术,以及固体碱(土)金属、固态胺、金属有机框架MOFs材料及变湿吸附等固体DAC技术。对各种DAC技术的工艺流程及相关设备进行了综述,详述了各种DAC技术的原理、二氧化碳捕集方法及吸附/吸收剂再生方式,重点分析了每种DAC技术在吸附/吸收剂性能、再生温度、再生能耗及循环稳定性等方面的优缺点。指出需进一步研发低成本、高吸附/吸收性能且循环稳定性好的DAC吸附/吸收剂,优化或开发吸附/吸收剂再生工艺,同时开发适用于DAC技术的过程强化技术,为DAC的后续规模化与商业化应用奠定基础。

直接空气捕集CO_(2)技术及应用进展

为了有效缓解CO_(2)过度排放带来的环境问题,亟待实现直接空气捕集CO_(2)(DAC)。化学吸收法、物理吸附法和化学吸附法是常用的三种CO_(2)捕获方法。文章介绍了三种方法的机理、代表性吸收剂/吸附剂的制备方法及结构特点,进一步对比了各类方法在DAC过程应用的优缺点,最后对DAC吸收剂/吸附剂的发展方向进行了展望。

直接空气捕集选址条件专家问卷调查

直接空气捕集技术(DAC)作为一种从空气中捕集CO_(2)的新兴负排放技术,对实现全球气候目标越来越重要。然而,如何优化DAC选址以支撑其大规模部署亟待解决。基于现有文献资料,构建了一个广泛适用的DAC项目选址指标体系,其中,一级指标可归纳为CO_(2)封存与运输、能源供应、环境特征、社会影响4方面,并覆盖21项二级指标。基于该指标体系,对从事相关领域的政府管理人员、科研人员和产业专家开展问卷调查,评估了各项指标影响DAC选址的重要性。结果表明,DAC选址是一个多因素决策过程,不同因素对不同技术类型的影响程度存在显著差异。针对高温吸收技术,一级指标的重要性依次为环境特征、能源供应、社会影响以及封存与运输;针对低温吸附技术,一级指标的重要性依次为环境特征、社会影响、能源供应以及封存与运输。特别地,温度对高温吸收技术选址至关重要,而土地利用和相对湿度对低温吸附技术尤为关键。此外,专家意见针对一些指标(如空气质量、核能供应)存在显著分歧,表明实际外界条件如何具体影响DAC性能研究尚不充分。未来应进一步加强多因素影响下DAC选址研究,对于实现负碳技术大规模推广具有重要意义。

用于空气捕集CO_(2)的多孔复合吸附剂载体优化和解吸性能研究

空气直接捕集CO_(2)技术(DAC)是一种灵活有效的减排方式,其中,变湿再生吸附技术仅利用常温常压下水分子的蒸发自由能即可实现超低分压CO_(2)的吸附分离,突破常规变温/变压再生吸附技术的高能耗限制,被认为是当下最具前景的低能耗捕集技术之一。针对空气直接捕集CO_(2)领域吸附剂的关键制备工艺,改进了相转换法成型工艺,并对最优的多孔复合吸附剂进行解吸性能研究。通过选用季铵型强碱性离子交换树脂D290作为活性吸附组分,醋酸纤维素(CA)和聚醚砜(PES)作为惰性载体,优化活性树脂与载体的配比,筛选出具有最优吸附解吸性能的多孔复合吸附剂。结果表明:活性组分和CA配比为6∶4的D290/CA型吸附剂的吸附性能(0.70mmol/g)和解吸性能(0.23mmol/g)最优;多孔复合吸附剂的解吸率随着解吸温度提高(45℃,解吸附率为85%)而上升;随解吸环境CO_(2)分压提高而下降,在85%吸附饱和度下,CO_(2)分压由1000×10^(-6)增至1500×10^(-6)时,解吸附速率由0.0005s^(-1)快速下降至0.00015s-1;最后,合理减小多孔复合吸附剂的厚度可在一定程度上提高其解吸附速率。

直接空气捕集CO_(2)典型工艺分析及技术经济研究进展

为促进社会发展与绿色转型,早日实现碳达峰与碳中和,直接空气捕集(Direct Air Capture,DAC)作为一种负碳排放技术愈发受到学术界和产业界关注。DAC技术聚焦于大气及交通工具等分布源CO_(2)的捕集回收,可有效降低大气中CO_(2)浓度。目前DAC技术发展的挑战主要在于设备及运行成本高。因此,从DAC工艺概况、工艺关键模块及技术经济性分析3个方面开展研究。着重介绍了基于碱性溶液及固体吸附剂的2种DAC技术工艺流程和吸附材料,概述了电力/热能供应、CO_(2)吸收/解吸、CO_(2)压缩存储/输运等关键模块,对比了2种DAC工艺技术能耗与经济成本。基于碱性溶液吸收和固体吸附剂吸收的DAC技术每吨CO_(2)捕获能耗分别在2118~2790 kW·h及1400~2777 kW·h,每吨CO_(2)捕获成本分别为$200~600和$100~400。总体而言,基于固体吸附剂的DAC技术经济效益好、捕获成本低、应用潜力大。未来需进一步从吸附材料性能提升、关键核心过程强化、系统能量集成优化等3个方面进行研究,可望进一步降低DAC技术成本,从而为碳达峰与碳中和提供重要技术支撑。

直接空气捕集CO_(2)吸附剂综述

综述直接空气捕集CO_(2)吸附剂的研究进展,对比碱/碱土金属基吸附剂、金属有机框架吸附剂、负载胺基吸附剂、变湿吸附剂的优缺点,从吸附容量与胺效率、动力学与载体选择、再生方式与能耗、热稳定性与抗降解等方面对吸附剂性能进行评估.简要叙述相关工程示范项目和技术经济性;总结研究中存在的问题,展望未来的研究方向.

二氧化碳直接空气捕集材料与技术研究进展

直接空气捕集(DAC)等新兴负碳排放技术是实现“双碳”目标的托底技术保障,近年来受到广泛关注。本文简要分析了直接空气碳捕集技术的特性,归纳总结了胺功能化无机材料和聚合物、金属氢氧化物和碳酸盐、多孔材料等痕量二氧化碳捕集性能,初步分析了负载方式、载体结构等与吸附容量和动力学的关系。浅析了该领域发展面临的问题和机遇,从能耗和性能方面对捕集材料和技术的研发提出以下建议:相较于物理吸附材料,胺功能化材料和固体碱等化学吸附材料具有更好的应用前景;在工艺开发领域,可以借鉴其他低浓度气体深度脱除工艺的经验;另一方面,可以结合不同工艺优势,设计多种工艺耦合的流程;最后,在严峻的环境问题下,必须加快材料研发的步伐,未来的研究重点应集中在材料的设计和低能耗再生方式的开发上。

湿法再生CO_(2)空气捕集材料的能耗与性能优化

湿法再生阴离子交换树脂膜材料,可通过调控湿度驱动CO_(2)的吸附与脱附,材料再生成本极低。该材料需经过高温水热预处理张开孔结构,增强气体扩散速率,能耗较高;此外,利用液态水润湿材料以驱动脱附时,材料的解吸比(脱附量/吸附量)只有~30%。通过系统研究不同预处理水温及时间下膜材料的CO_(2)吸附/脱附性能,发现采用常温水浸泡预处理亦可获得良好的材料微观孔结构以及碳捕集性能,显著降低预处理能耗;更重要的是,基于微观尺度的气体吸附和液体浸润相关理论,实验发现超声雾化所获得的微米级水颗粒,由于更易扩散进入孔隙,可将解吸比从~30%提升到~60%,极大提升了树脂膜材料的再生性能。这些预处理能耗与脱附性能的优化,为大规模空气捕集的工程化实施提供了有利条件。

直接空气二氧化碳捕集技术工业化进展

直接空气捕集(DAC)是一种能够从大气中捕集二氧化碳的技术。本文介绍了DAC技术的发展历程、技术优缺点和发展前景,根据预测,到2050年,全球每年需要从大气中捕集超过9.8亿吨二氧化碳。综述了DAC技术的政策支持与资金投入现状,美国、加拿大、欧盟和英国等在内的国家和地区已经成为DAC技术研究、开发、示范和部署方面的先行者。分析了主流的DAC技术路线及其在工业化进程中的进展,目前最大的DAC工厂捕集量为4000t/a,并且正在规划建设百万吨级的商业化项目。指出了DAC技术需要关注的研究方向,未来应将重点放在技术的大规模部署、碳市场机制的建立和国际合作的加强上。需要进一步研究和发展DAC设备和系统,以降低成本、提高效率,并开发碳定价、碳交易和碳抵消等机制为DAC项目提供经济激励,促进投资和市场参与,同时加强国际合作,从而推动该技术的快速发展。

直接空气碳捕集与空调系统集成技术:研究综述及展望

碳中和目标的提出以及人们对居住环境舒适度要求的持续提升,都对空调系统提出了更高的要求。直接空气碳捕集(DAC)技术能够从分布式的稀薄碳源中捕获二氧化碳,与建筑空调通风系统具有很好的技术匹配性。近年来,形成了DAC与空调系统集成的技术路线。该研究从技术层面总结了该技术路线的研究进展,并对该技术的发展趋势及面临的挑战进行了评述。研究结果表明,DAC技术能够在碳减排、室内空气质量控制和节能提效等方面推动空调技术的高效、低碳和健康立体化发展。然而,现阶段DAC与空调通风系统集成技术仍处于起步阶段,面临技术、成本、安全、政策等多方面挑战,亟需在相关方向展开深入研究。

碳酸酐酶附着膜在微藻直接空气碳捕集中的应用与固碳性能的强化

为了解决低浓度直接空气碳捕集条件下微藻光生物反应器内CO_(2)传质效率差、溶解度低的问题,采用实验的方法制备了碳酸酐酶(CA)附着的尼龙纤维膜,利用CA催化转化CO_(2)为碳酸氢根的性质,提出了一种可以改善微藻溶液中CO_(2)溶解度及转化率的新型光生物反应器,测试了该反应器放置CA附着尼龙纤维漂浮膜前后的微藻培养和固碳性能,并进一步探究了膜的开孔率及CA附着量对微藻固碳率的影响。实验结果表明:所制备的CA附着的尼龙纤维膜对CO_(2)转化速率提升了62.7%,通过耐久性测试,CA的活性在5个培养周期后仍保持良好,性能衰减仅为11.3%;与传统气石鼓气方式相比,提出的新型光生物反应器的微藻质量浓度提高了29.7%,固碳率提升了65%;随着膜开孔率的增加和透光率的增加,单位CA负载质量的固碳率提高,开孔面积占比24.75%的对照组的单位CA固碳率相比不开孔提高了13%。该研究为进一步提高微藻直接空气捕集的固碳率提供了一种新的方法。

专利视角下空气中直接捕集CO_(2)技术发展分析

碳达峰和碳中和目标的提出为我国碳减排发展明确了方向,也对碳捕集技术未来发展提出了新要求。空气中直接捕集CO_(2)作为新兴负碳排放技术是实现双碳目标的重要技术保障。专利作为技术信息的有效载体,是分析技术发展的重要工具,具有信息丰富完备、覆盖时间长、真实可靠等特征,更是学术期刊资源的重要补充。以直接空气捕集相关关键词进行检索,并基于国内外专利文献分析了空气中直接捕集CO_(2)技术的发展历程,分析了空气直接捕集技术的专利申请数量,介绍了主要技术形式与改进措施。着重介绍了主要研究创新主体的关键专利技术,包括低成本高效吸附剂的改进,降低空气流通装置阻力的方法以及空气直接捕集系统与其他化学系统的耦合等。随着技术发展带来的降本增效以及碳交易市场与碳关税的建立形成,具有负碳潜力的空气直接捕集CO_(2)技术将会得到更广泛关注。最后对我国空气直接捕集CO_(2)技术未来发展方向进行展望。

直接空气碳捕集技术生命周期评价的研究进展及挑战

直接空气碳捕集技术(DAC)能够从空气中直接移除二氧化碳,在全球净零排放路径中具有重要作用。但该技术的可行性始终受高能耗及其伴生环境影响的质疑,其实际碳移除效率需通过生命周期评价(LCA)方法评估。概述了现有代表性直接空气碳捕集技术,其中基于高温再生的溶液吸收法(L-DAC)和固体吸附的变温吸附法(S-DAC)DAC系统技术成熟度较高,目前在商业化推广阶段。依据生命周期评价框架,从目标和范围、清单分析、影响评价结果及解释3个方面对DAC生命周期评价研究现状进行分析和评述。L-DAC和S-DAC技术均能够实现净碳移除,但DAC系统的生命周期碳移除效率区间较大,为10%~95%,且极大程度上取决于系统的能耗及能量来源。在DAC生命周期碳排放过程中,系统的热力和电力消耗所造成的温室气体排放占比超过80%,DAC运行过程中所需吸附剂、吸收剂消耗以及工厂建设产生的温室气体排放占比均小于10%。此外,DAC系统的生命周期水耗、材料消耗及土地利用等伴生环境影响也受到关注,初步估算DAC技术的水耗范围在0~50 Gt/Gt CO_(2),利用光伏、风电等可再生能源驱动DAC系统会导致其生命周期土地利用面积大幅增加。最后,对DAC生命周期评价发展趋势与挑战进行了梳理并展望了未来研究方向。目前,针对DAC系统的生命周期环境影响评估研究仍处于起步阶段,缺乏标准化的分析框架及实际项目数据支撑,且亟需扩展针对新型DAC技术的生命周期评价,DAC动态生命周期评价以及DAC与其他负排放技术的对比分析研究。

空气二氧化碳捕集固体吸附材料研究进展

随着全球极端天气的剧增,减少碳排放已成为全世界关注的焦点之一。直接空气捕集(DAC)是降低空气中 CO_(2)浓度、实现 CO_(2)负排放的重要手段,该技术的关键是综合性能优异的吸收/附材料的研发。用于空气 CO_(2)捕集的固体吸附材料分为物理吸附剂、固体胺吸附剂、湿法再生吸附剂。物理吸附剂中金属有机骨架化合物(MOFs)具有很大的开发潜力,但目前物理吸附剂依旧不能成为 DAC 吸附剂的首要选择。固体胺吸附剂的关键在于胺基团的含量、负载形式以及利用效率,湿法再生材料可以依靠水的蒸发自由能实现吸附剂再生,再生成本低。相比于物理吸附剂,固体胺吸附剂和湿法再生吸附剂凭借对 CO_(2)高选择性和高捕集性能,拥有更好的应用前景。

直接空气捕碳固体多孔材料的研究进展

直接空气捕碳(DAC)技术属于一种负碳技术,作为碳捕集、存储和利用(CCUS)技术的有效补充,是助力实现“双碳”目标的重要技术之一。由于吸附能力强、再生能耗低、应用场景灵活以及结构可调性强,固体多孔材料在降低DAC经济成本和运行能耗方面具有不可替代的优势。本文从固体多孔材料的DAC原理出发,重点综述了包括沸石吸附剂、硅基吸附剂、炭基吸附剂、纳米氧化铝吸附剂、金属有机框架(MOF)材料吸附剂和多孔树脂材料吸附剂等DAC的研究现状,系统介绍和比较了固体多孔吸附材料的吸附容量、吸附选择性、水热稳定性、再生能耗以及循环稳定性方面的优缺点。本文着重分析了胺功能化改性和载体孔隙结构等因素对吸附CO_(2)性能的影响规律,对各类固体多孔材料在DAC应用中面临的挑战提出了具体的优化方向,并指出未来固体多孔吸附材料的设计开发应兼顾经济性和高效性,加快开展中试规模的DAC试验研究。

空气中直接捕集CO_(2)技术研究进展

减少碳排放并推动碳中和是应对气候变化、促进经济社会绿色转型的重要途径之一,碳中和技术已成为工业界和学术界的关注焦点。目前碳捕集与封存主要对工业固定源排放的CO_(2)进行处置捕集,而对占CO_(2)总排放近50%的分布源CO_(2)关注度不高。直接空气捕集(direct air capture,DAC)技术不仅可对数以百万计的小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源排放的CO_(2)进行捕集处理,还可有效降低大气中CO_(2)浓度。介绍了DAC的发展历史、研究现状以及发展趋势,综述了已有DAC技术的工艺流程以及反应装置,对DAC现行工艺中涉及的空气捕捉模块、吸收剂或吸附剂再生模块、CO_(2)储存模块进行了叙述,对比了几种工艺的优缺点以及吸附剂类型和再生方式,指出DAC技术发展的关键在于研发高效低成本的吸收/吸附材料和设备。分析了DAC吸收/吸附材料的作用原理以及吸附效果,碱性溶液原料成本相对低廉,但再生过程中能耗较高。分子筛及金属有机框架吸附剂虽然再生能耗较低,但对空气中CO_(2)的吸附容量和吸附选择性表现一般。胺类吸附剂具有较好的吸附能力,由于其再生温度较低,可使用工业废热或少量热能为系统供能;使用胺类吸附剂时吸附和解吸在一个单元中逐步发生,具有更高的效率和操作时间,有望降低DAC系统成本。对比了DAC与其他碳捕集技术的成本并进行了技术经济性分析,DAC成本主要包含运营和维护成本(N_(Q&M))、吸附剂材料成本(N_(S))和工厂设备的净成本(N_(bop));指出目前限制DAC工业化应用的主要因素之一在于吸收/吸附材料和相关工艺成本过高,随着阴离子交换树脂等新型吸附剂的出现和工艺的发展,DAC成本逐年下降。全面探究吸收/吸附材料稳定性、动力学、吸附容量、选择性、再生能量损失等综合性能,研发利于快速装载和卸载吸附剂的相关装置,开发成本低廉的工艺系统是目前DAC领域的发展方向和迫切需求。DAC技术将为减少全球碳排放、实现碳中和提供重要技术支撑。

金属有机框架复合酚醛树脂基整体式亲水炭应用于空气水捕集

针对全球水资源短缺的问题,空气水捕集被认为是潜在的解决方案。吸附法空气水捕集技术具有装置结构简单、能量效率高、适用范围广等优点,受到广泛关注,其关键在于高性能多孔吸附剂的开发。多孔炭材料具有孔结构丰富、制备成本低等优点。但是常见炭材料的表面疏水,对于低浓度水汽吸附效果不显著。基于此,本文采用局部亲水强化的策略,通过在酚醛树脂交联骨架中穿插引入可衍生为极性位点的金属有机框架炭前驱体,制备了具有强亲水性的整体式多孔炭。进一步将其应用于“三明治”式空气水捕集装置,在40%~80%相对湿度环境中,吸附剂的水汽捕集质量分数可达约20%。这一调控策略也为制备整体式亲水炭材料应用于其他领域提供了新思路。

用于空气CO_(2)捕集的变湿再生吸附剂的筛选与特性研究

直接空气CO_(2)捕集技术是一种碳负排放技术,是应对全球气候变化的重要技术之一。研究了基于异相、半均相、均相离子交换树脂吸附剂的理化参数与CO_(2)吸附能力。通过滴定法分析了三种吸附剂材料热处理前后的电荷密度;表征分析了三种吸附剂材料热处理前后的微观结构特征;对不同吸附剂吸水失水特性进行了测试;并对三种材料不同热处理温度下的CO_(2)吸附动力学进行了测试。利用Midilli薄层干燥模型分析了吸附剂的失水特性,利用混合动力学模型分析了吸附剂的吸附动力学。结果发现,80 ℃热处理后的异相膜具有最佳的吸附动力学,异相膜与半均相膜吸附容量相当,均相膜的吸附容量与官能团利用率最低。

直接空气捕碳材料研究进展

全球气候变化是对人类可持续发展的最大威胁,控制CO排放是应对气候变化的主要举措。直接空气捕集(direct air capture,DAC)技术作为一种负排放技术,能够对交通、农林、建筑行业等分布源排放的CO进行捕集。DAC材料的性能及成本是决定DAC技术能否实现大规模应用的最主要因素。综述了DAC材料的技术发展现状,总结了化学吸收材料、化学吸附材料、物理吸附材料和双功能碳捕集材料的性能指标和优缺点,并对不同的DAC材料进行了技术经济性分析,指出开发低成本、高通量、高选择性、高稳定性的碳捕集材料是实现DAC技术规模化应用的关键。

直接空气碳捕集-综合能源系统配置优化方法

将直接空气碳捕集(Direct air carbon capture,DAC)与可再生综合能源系统(Integrated energy system,IES)结合,是实现区域碳中和的有效途径。合理的配置方法是系统稳定、灵活、经济与零碳的前提。常规配置方法无法反映DAC吸附、解吸的动态CO_(2)传质特性以及能耗特征差异,导致非最优或不可行的配置方案。为此,本文构建了面向配置的DAC模型以反映其动态运行特性,在此基础上以包含投资成本、运维成本、可再生能源削减惩罚以及负碳排环境效益的年总成本为目标函数,建立DAC-IES配置模型,获得各设备的最佳容量与协同运行策略,揭示间歇波动供能背景下DAC的灵活运行机制。案例分析验证了所提出的配置方法的有效性与优越性。结果同时表明,DAC系统灵活运行能够实现与可再生能源更好地协调与更经济地碳捕集。