二氧化碳的分离回收技术与综合利用

二氧化碳的分离回收技术与综合利用

马驰  屈宁 王潇楠

沈阳鼓风机集团工程成套有限公司  辽宁沈阳  110027

摘要：随全球气候变化加剧背景下，二氧化碳（CO2）减排与利用成为焦点。本文概览了CO2分离回收及综合应用的最新动态。首部分析了CO2来源与环境影响；次部分深入探讨了四大分离回收方法：化学吸收、物理吸附、膜分离及低温蒸馏；后部分聚焦CO2综合利用，涵盖化学品生产、合成燃料、食品工业及农业增产；终部分析了该领域未来趋势，并提出了相关政策建议。

关键词：二氧化碳；分离回收技术；综合利用；

引言：二氧化碳作为温室气体的主要成分之一，其浓度的持续上升对全球气候产生了深远的影响。为了应对气候变化，国际社会提出了多项减排目标，而二氧化碳的分离回收与综合利用成为实现这些目标的重要手段。本文旨在探讨二氧化碳的分离回收技术及其综合利用的现状与前景，以期为相关领域的研究与实践提供参考。

一、二氧化碳的环境效应

1.1 全球变暖与温室效应

全球变暖与温室效应形成现今的核心环境挑战，工业化进程导致温室气体排放大幅增长，致使全球平均温度提升近1.1°C，二氧化碳浓度从280ppm上升至超过410ppm。这种现象引发极端气候事件的频繁发生和生态系统受损，例如北极海冰融化与生物多样性减少。因此，二氧化碳分离回收技术至关重要，旨在减少大气中的温室气体，并将其转变为资源。通过采用物理、化学吸附及膜分离技术，能够有效捕获二氧化碳；而溶剂吸收与冷凝方法进一步实现气体纯化，为后续储存与应用打下基础。这些技术创新在遏制全球变暖、促进可持续发展方面发挥着关键作用。

1.2 海洋酸化与生态系统破坏

海洋酸化是指由于全球变暖导致的海水酸度上升的现象，这一过程是由于二氧化碳的大量排放所引起的。自工业革命以来，海洋表面的pH值逐渐下降，这种变化对海洋生物的钙化过程产生了负面影响，从而威胁到整个食物链的稳定性。海洋酸化不仅破坏了海洋生态系统，还削弱了海洋在调节全球气候方面的能力，进而加剧了气候变化的问题。此外，海洋酸化还对渔业资源造成了损害，影响了依赖海洋资源的社区经济的稳定发展。

二、二氧化碳的分离技术

2.1 吸附法：物理与化学吸附

二氧化碳的分离回收技术是实现从排放到资源转变的关键环节，其中吸附法作为一项成熟的技术，在物理与化学吸附方面展现出了巨大的潜力。物理吸附依赖于吸附剂表面与二氧化碳分子间的范德华力，而化学吸附则涉及化学键的形成。例如，活性炭因其多孔结构和较大的比表面积，常被用作物理吸附剂，其吸附能力可达到每克吸附剂吸附几十毫克的二氧化碳。然而，化学吸附剂如金属有机框架（MOFs）则能提供更高的选择性和吸附容量，某些MOFs的二氧化碳吸附量可超过每克吸附剂吸附几百毫克。在实际应用中，吸附法的效率和经济性是评估其可行性的关键因素。例如，通过Langmuir和Freundlich吸附等温线模型，可以对吸附剂的性能进行预测和优化。正如爱因斯坦所言：“科学的最终目的是为了更好地理解世界。”通过深入研究物理与化学吸附的机制，我们能够更有效地将二氧化碳从工业排放中分离出来，进而推动其向资源的转变[1]。

三、二氧化碳的回收技术

3.1 溶剂吸收法：有机与无机溶剂的比较

在二氧化碳回收技术中，溶剂吸收法因其广泛应用而受重视，通过化学或物理作用将CO₂从混合气体中分离。有机溶剂，尤其是胺类化合物，因高CO₂吸收性能而受到关注，单乙醇胺（MEA）作为常用有机溶剂，能与CO₂形成稳定氨基甲酸盐，实现高效捕获。然而，有机溶剂再生能耗高，对设备腐蚀性强，限制了工业应用。无机溶剂如碳酸钾溶液，吸收能力虽弱，但再生能耗低，对设备腐蚀性小，成本相对较低。选择溶剂时需综合考虑吸收效率、能耗、成本及环境影响。研究显示，优化操作条件可显著提升无机溶剂吸收效率，使其在某些应用场合成为有机溶剂有力竞争者。因此，选择合适溶剂吸收法对实现二氧化碳排放至资源转化至关重要。

3.2 冷凝法：温度控制与能耗分析

在二氧化碳回收技术领域，冷凝法作为一种有效的物理分离手段，扮演着核心的角色。这种方法主要依赖于二氧化碳在不同温度和压力条件下的相态变化，通过精确控制温度和/或调整压力，使得二氧化碳从气态转变为液态，从而实现与其他气体的有效分离。具体来说，在工业应用中，通过将排放的气体冷却至-56.6°C，二氧化碳可以被冷凝成液态，进而便于进行后续的存储和利用。然而，冷凝过程中所涉及的能耗问题不容忽视，通常情况下，这一过程会消耗整个二氧化碳捕集流程总能耗的30%至40%。因此，在设计和操作过程中，必须对温度进行精细管理，并优化能量的使用。为了降低能耗，研究人员提出了多种模型和策略，例如利用热泵技术回收冷凝过程中产生的废热，或者利用余热来驱动冷凝过程，从而实现整体能耗的优化。这些方法不仅有助于提高二氧化碳回收的效率，还能在一定程度上减少能源消耗，进而降低二氧化碳捕集过程中的环境影响

[2]。

四、二氧化碳的储存技术

4.1 地质封存：地下储层的潜力与风险

二氧化碳的地质封存技术，尤其是将二氧化碳注入地下储层的应用，被认为是将排放转化为资源的关键策略之一。地下储层，包括已经废弃的油气田、盐穴以及尚未开发的深部含水层，具有巨大的存储容量。根据国际能源署（IEA）提供的数据，地下储层的二氧化碳封存潜力可能达到数十万亿吨，这足以满足当前全球排放需求的长期要求。然而，这项技术也存在潜在的风险。例如，在封存过程中，可能会发生二氧化碳泄漏，导致二氧化碳重新进入大气，从而抵消了减排的效益。此外，地质封存还可能引发地面沉降、地下水污染等一系列问题。因此，在进行地质封存项目时，必须进行详尽的地质评估和风险分析，以确保其安全性和有效性。。

4.2 海洋封存：深海储存的可行性与挑战

海洋封存作为二氧化碳的储存技术之一，其可行性和挑战并存。深海储存原理：利用海洋广阔空间及深海高压环境，将二氧化碳液态或超临界状态注入海底地质结构。国际能源署报告指出，深海储存技术具备巨大储存潜力，理论上可容纳当前全球年排放量数倍。深海储存技术挑战：需精准地质评估确保封存安全性，防止二氧化碳泄漏引发二次污染。深海环境复杂性要求先进监测与封存技术，保证长期稳定封存。挪威Sleipner项目为首个商业化深海储存项目，自1996年起成功封存逾1600万吨二氧化碳，提供宝贵经验。然而，项目成本高且公众接受度问题凸显[3]。

结束语：随着全球气候变化问题的日益严峻，二氧化碳的捕集、利用与封存（CCUS）技术的重要性愈发凸显。通过本文的深入探讨，我们揭示了不同捕集方法的独特优势与局限性，包括但不限于吸附法、溶剂吸收法、冷凝法，以及地质封存与海洋封存技术。在实际应用中，选择合适的CCUS方案需综合考量技术可行性、经济成本、环境影响等多方面因素。展望未来，伴随着科技的持续创新，CCUS技术有望迎来更广泛的应用与优化。

参考文献：

[1]杨同.二氧化碳的分离回收技术与综合利用[J].化工设计通讯,2023,49(05):42-44.

[2]房昕.温室气体二氧化碳的分离回收与综合利用[J].青海环境,2009,19(01):34-39.

[3]夏明珠,严莲荷,雷武,等.二氧化碳的分离回收技术与综合利用[J].现代化工,1999,(05):48-50.DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.1999.05.016.