二氧化碳的捕集方法探索

李浩然(天津大學,天津 300072)

1 背景

隨著幾十億年積累的化石能源在近幾百年來爆發性使用，空氣中二氧化碳的含量持續增加，直接導致了全球氣溫升高。為了緩解氣溫升高對人類以及地球自然生態環境造成的威脅與破壞，必須控制因化石能源的燃燒而排放到空氣中的二氧化碳，從而達到降低氣溫升高的目的。目前，二氧化碳的捕集方法主要有物理/化學吸收法、吸附法、膜分離法等。

以上各種方法均有各自的優、缺點，可單獨使用，但多數情況下結合起來使用有著更加廣闊的發展前景，例如物理化學吸收法、膜分離—吸收聯合法。在實際生產中需根據原料氣的組成、處理量及對二氧化碳產品純度的要求來選擇合適的方法。

2 膜分離法分離二氧化碳

2.1 膜分離法相關原理

膜分離技術主要是利用混合氣體中氣體與膜材料之間的物理或者化學反應來進行選擇性吸收與分離的技術。其原理主要是使得氣體能快速溶解于吸收液并通過分離膜或吸收膜快速傳遞，從而達到吸收氣體在膜的一側濃度降低，而在另一側富集的目的。

根據膜對氣體分離機理的不同，通常可將其分為分離膜和吸收膜兩類。其中吸收膜主要是利用化學吸收液對氣體進行選擇吸收；而分離膜起到了將與化學吸收液分隔開的作用，使得在吸收膜的兩側形成濃度差，為吸收膜吸收做出了準備。因此，在膜分離技術的實施過程中通常需要吸收膜和分離膜兩者共同來完成。

2.2 膜分離技術面的下問題

2.2.1 高溫對膜的破壞：通常情況下所處理的煙氣具有較高溫度，若未經低溫處理會對后期分離過程中使用的膜造成損壞。

2.2.2 其他化學物質對膜吸收的干擾：煙氣中除外含有種類繁多的化學物質，會對膜吸收造成干擾，所以在分離前需要對煙氣進行預處理或對膜進行化學處理；

2.2.3 煙氣中濃度較低：較低濃度的無疑會降低膜的吸收效率，因此處理前對于煙氣中的富集顯得尤為重要，此外也可選用高選擇性的化學吸收劑對膜進行改性；

2.2.4 能耗問題：處理過程中煙氣經過膜，需要在兩側形成壓差，需要耗用額外能量。

2.3 氣體膜分離技術

2.3.1 氣體膜分離現狀

氣體膜分離就是在壓力驅動下，把要分離的氣體通過膜的選擇滲透作用使其分離的過程。早在20世紀70年代初期，氣體膜分離技術已被投入工業應用。隨著1979年Monsanto公司推出“Prism”H:/N:膜分離裝置，氣體膜分離的技術的市場地位得到確定。近年來，環境問題日益嚴峻，也促使了該項技術的迅猛發展，氣體膜分離富氧、富氮、天然氣中酸性氣體的脫除，以及空氣和天然氣脫濕等已得到成功應用。

2.3.2 氣體膜傳質機理

氣體分離膜主要有4種傳質機理，分別是依靠分子量（努森擴散）、表面相互作用（包括表面擴散和毛細凝聚）、分子尺寸（分子篩）進行氣體分離

2.3.3 氣體膜分離技術的研究進展

鑒于膜接觸器可以提供較大的接觸面積，傳統設備已經逐漸被疏水性微孔膜氣液接觸器所取代。同時，大量的研究關注于中空纖維膜接觸器的膜材料：聚丙烯、α-纖維素、聚偏氟乙烯、硅橡膠以及聚砜，配合無機物納米粒子應用于不同膜材料、膜技術，進一步優化了膜的氣體滲透性和選擇性。由于聚丙烯膜材料價格低廉、便于工業大規模推廣，聚丙烯材料膜的優化成為了目前研究的重點。

2.3.4 氣體膜技術分離CO2存在的問題

近年來，利用氣體膜技術除去混合氣中酸性氣體受到越來越多的關注，但研究大多停留在實驗室階段。問題主要存在于以下幾點：

2.3.4.1 膜及膜組件材料耐熱性較差：考慮到膜選擇性和滲透性的要求，目前工業應用中主要研究方向為有機高分子膜；但是相比于無機膜，其耐熱性、化學穩定性以及機械強度都有一定的局限；

2.3.4.2 混合氣體的干擾：探究溫度、壓力對氣體膜分離過程的影響時，實驗室采用的多為配氣（較為干凈）；而實際中由于工藝等差異，導致混合氣的組成十分復雜，含有的雜質氣會影響膜的分離效果。

2.3.5 氣體膜分離技術的展望

由于操作簡單靈活、環境友好，并能有效分離混合氣中酸性（）組分，氣體膜分離技術得到越來越廣泛的應用。未來其發展方向主要有以下幾個方面：

2.3.5.1 研究探索新的成膜技術，完善其理論體系，進而指導合成具有理想形態結構的材料；

2.3.5.2 將研究重點置于提高膜材料的氣體滲透性，選擇性，化學及機械穩定性，同時降低價格成本提高市場競爭力；

2.3.5.3 改進提升氣體膜分離技術的工藝流程，結合其他分離工藝技術發展新型集成分離技術。

3 結語

環境問題的日益加劇，溫室效應的日趨嚴重，使全球各學術界更加關注環保問題。盡管大量研究致力于新能源的開發與利用，但在未來相當長的時期內，人類仍然需要依賴煤、石油等化石燃料。面對電力以及石油行業產生的大量含廢氣，各種煙氣分離與捕集技術正在被廣泛研究與推廣。憑借高捕集效率以及較低的捕集和再生能耗，膜分離技術有著廣闊的工藝應用于發展前景；同時高穩定性，高選擇性的新型膜材料的研發也是未來的發展方向和發展重點。