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“CO2高效捕集及资源化关键技术”专题

来源：洁净煤技术

“CO2高效捕集及资源化关键技术”专题来自于《洁净煤技术》2022年第9期，共10篇研究成果。

行业视野: 碳中和
类别; 49个
关键词; 50位
专家; 10篇
论文; 5973IP
点击量; 4220次
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Li4SiO4基CO2吸附材料研究进展与趋势

作者(Author)：胡希璇, 潘登, 薛天山, 黄亮, 王强

摘要：随着人类社会工业化进程的加快，温室气体排放量随之增加，导致温室效应加剧。在所有温室气体中，CO2占比最多、贡献最大，被认为是引起全球变暖的主要因素。人为排放的CO2主要来自工业生产过程中化石燃料的燃烧，为实现碳中和目标，除了推广清洁能源、提高能源利用效率和增加植物碳汇等措施外，对工业排放的CO2进行捕集封存必不可少。目前限制CO2捕集和分离工艺应用的主要因素是成本过高，为解决该问题，开发第2代低能耗固体CO2吸附材料对推动工业源CO2减排具有重要意义。Li4SiO4凭借较高的吸附容量、较低的再生能耗和成本在高温CO2捕集领域具有良好的应用前景。为推进Li4SiO4材料在碳捕集、利用和封存（CCUS）工艺中的应用，综述了Li4SiO4基吸附材料的研究进展，介绍了不同合成方法及合成条件对Li4SiO4材料的影响，论述了材料的性能改性方法及其影响机制，归纳了近年来Li4SiO4材料的成型及应用技术，最后总结了目前Li4SiO4基吸附材料发展过程中面临的挑战并提出该领域的发展趋势。Li4SiO4吸附CO2的过程可分为化学吸附和孔内扩散，其中扩散过程是Li4SiO4吸附CO2的决速步骤，通过调控合成工艺可获得具有更小粒径及多孔结构的吸附剂材料，从而促进CO2扩散过程。此外，利用碱金属盐负载也可改善吸附剂表面活性点位，从而提高其吸附动力学。对于材料成型应用，传统挤压造粒易造成Li4SiO4颗粒孔道结构破坏和比表面积降低，一般可通过模板支撑和造孔剂添加进行改善，对于成型材料还需合适的反应器及吸脱附工艺匹配，目前这些研究有待进一步优化。Li4SiO4基材料处于从基础研究向工程应用过渡的阶段，除了对吸附材料有更高活性及稳定性需求外，其规模化生产及成型、合成成本、吸脱附能耗、应用场景及捕集后CO2的处理处置等也是亟待研究的重点方向。

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洁净煤技术

2022年第09期

587

365
微藻固碳光合作用强化策略及展望

作者(Author)：毛炜炜, 张磊, 尹庆蓉, 李鹏程, 胡毡, 宋春风

摘要：随着工业技术的飞速发展和化石能源的大量使用，CO2排放量逐年增加，其引起的全球变暖是全球环境和经济领域最关注的话题之一。CO2捕集利用与封存技术（CCUS）是我国实现碳达峰、碳中和目标的关键技术，对我国减少CO2排放、构建生态文明具有重大意义。微藻具有生长速度快、对极端环境适应性强、生产成本低等优点，其介导的CCUS技术能吸收固定CO2并将其转化为高附加值产品。该过程中微藻种类对确定CO2固定效率和生物质产量起至关重要的作用。目前许多综述性研究都集中在利用微藻进行碳捕集、利用和储存方面，鲜见关于提高微藻碳捕集效率的最新策略相关综述。基于微藻固碳技术的发展现状，系统讨论了微藻的光合作用和固碳机理。回顾了微藻菌株固定CO2最新进展，重点关注用于燃煤烟气的微藻改良和改进。全面总结了提高微藻光合效率的最新趋势和策略。随机诱变、适应性实验室进化和基因工程等几种修饰和改良微藻菌株的策略可用于产生理想的藻种。其中，基因工程不仅可截断集光复合体（LHC）的天线尺寸来提高光合效率，还可提高Rubisco的速度和选择性。通过向微藻培养物中添加纳米材料（NMs）进行干预策略，可增强CO2在溶液中扩散/溶解，显著提高光系统Ⅱ(PSII)中的相对电子传输速率及微藻中活性氧(ROS)水平，从而改善对类胡萝卜素的一般光合作用。最后，明确了该技术面临的挑战和未来发展方向，提出应继续研发能耐受烟气的高效微藻固碳系统。

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洁净煤技术

2022年第09期

518

439
有机胺CO2吸收技术研究现状与发展方向

作者(Author)：陆诗建, 贡玉萍, 刘玲, 康国俊, 陈曦, 刘苗苗, 张娟娟, 王风

摘要：CO2排放量迅速增加，严重威胁人类生存环境及气候变化，如何减少碳排放量是关注热点。化学吸收法是捕集CO2的主要方法之一，其脱除CO2的实质是利用碱性吸收剂溶液与烟气中CO2逆向接触并发生化学反应，形成不稳定盐类，而盐类在一定条件下会逆向分解释放出CO2而再生，从而实现CO2从烟气中分离脱除。以醇胺溶液为吸收剂的化学吸收法技术开发相对成熟，且分离效果好、操作简单，在电力、钢铁、水泥、化工等行业得到广泛应用。醇胺溶液是化学吸收法的核心，目前应用于工业减排的醇胺溶液包括一级醇胺溶液、二级醇胺溶液、三级醇胺溶液以及空间位阻胺等。综述了4种典型的醇胺溶液和低浓度烟气吸收法胺液的国内外研究现状，介绍了国外三菱重工的KM-CDR工艺、壳牌康索夫脱硫脱碳工艺、陶氏化学Ucarsol溶剂的配套工艺、西门子氨基酸盐溶液的配套工艺、Powerspan的ECO2工艺，同时对阿尔斯通的富氧燃烧技术进行了总结；国内在碳捕集方面研究时间较短，在“双碳”计划推动下，碳减排成为近年来国内研究的重点和热点，论述了浙江大学、华北电力大学、北京化工大学以及中国矿业大学等高校和研究院的研究成果，调研结果表明国外应用规模达到百万吨级，国内技术水平接近，可达10万t级，应用规模尚有较大差距；目前，化学吸收法已有工业应用，国内已建成多个碳捕集示范工程，系统介绍了华电句容电厂1万t/a CO2捕集示范工程、国华锦界电厂15万t/a CO2捕集示范工程以及胜利油田4万t/a 燃煤CO2捕集与驱油示范工程等典型案例。当前国内外燃煤电厂CO2捕集示范工程的规模总体较小，仅有3项百万吨级示范工程，其中中石化建成了我国首套百万吨级的碳捕集项目，这对我国碳捕集行业的发展具有里程碑意义。在有机胺捕集CO2领域，应重点在吸收剂再生能耗与降解性降低、捕集系统热能综合利用与回收、高通量CO2捕集吸收反应器研制以及吸收剂逃逸控制等方面开展研究，开发低能耗、低损耗、低成本CO2捕集技术，推进多行业工程示范，为燃煤烟气CO2捕集技术规模化推广奠定基础。

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洁净煤技术

2022年第09期

1253

606
微藻光合减排燃煤电厂烟气CO2及资源化利用研究进展

作者(Author)：黄云, 彭虹艳, 富经纬, 朱贤青, 夏奡, 朱恂, 廖强

摘要：微藻光合作用固定燃煤发电厂烟气CO2及其生物质能源化资源化利用已成为低碳循环的核心技术，是实现我国“双碳”目标有效途径之一。然而烟气中CO2浓度高（相对自然界藻类生长的空气氛围），且存在易溶酸性气体，如SO2等，对微藻光合生长及碳转化过程是极大挑战，造成我国微藻捕集烟气CO2的工程应用非常有限。为促进微藻固定烟气CO2发展，针对烟气高浓度CO2和含SO2等酸性气体的特点，从耐受烟气氛围的高效藻种构建、微藻对高浓度碳的代谢及转化过程调控再到烟气中高浓度CO2在光生物反应器中的传输及转化过程进行全面综述。小球藻是最有望实现微藻生物固定烟气CO2的藻种。通过筛选和驯化等方式，小球藻可适应烟气的高碳浓度和一定浓度下酸性气体的胁迫，并保持较高固碳速率。烟气在光生物反应器内溶解传输及引起多相流动是影响微藻固碳性能的关键，强化反应器内的CO2传输并抑制SO2酸性气体溶解是有效提高微藻光合固碳的有效手段，同时优化反应器结构，改善光照、混合和曝气条件等可有效提高微藻生物量的积累与烟气CO2的固定速率。微藻生物质的利用能有效增加微藻减排烟气CO2的经济性，总结了微藻生物质能源化、资源化、高值化可利用途径和研究进展，包含微藻酯交换合成生物柴油、微藻热解合成生物油和生物气以及微藻发酵合成生物合成气的工艺流程和相关研究进展。为提高微藻生物质资源利用的经济效益，指出微藻作为高值产品合成原料的利用方向，以及藻渣作为碳基材料的资源化利用方式。提出以发展高价值利用为前提，协同微藻基生物燃料和生物炭等产品的高值化、能源化、资源化梯级利用方向，以此提高微藻生物固定烟气CO2系统的经济性和可行性，同时推动微藻生物质新能源的研究，为我国烟气CO2的生物减排及资源化利用提供指导，促进绿碳经济发展。

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洁净煤技术

2022年第09期

578

438
分批补加NH4HCO3对化学吸收-微藻转化耦合系统的影响

作者(Author)：李鹏程, 李美狄, 尹庆蓉, 毛炜炜, 宋春风

摘要：碳捕集及资源化利用对缓解全球变暖、冰川融化等环境问题具有重要意义，是实现碳中和的有效途径之一。传统的化学吸收法捕集CO2能耗高，而微藻生物固定CO2时，由于CO2在培养基中溶解度低，导致CO2逃逸，造成固碳效率低及CO2二次排放。化学吸收与微藻固碳耦合系统具有潜在的降低再生能耗及提升一体化CO2资源化利用优势。采用氨水作为化学吸收剂，充分吸收CO2后生成的NH4HCO3部分替代传统微藻培养过程中的氮源NaNO3，为降低高浓度NH+4-N对螺旋藻的毒性，进一步降低耦合系统的氮源成本，采用分批补加NH4HCO3的形式优化氮源组成。结果表明，分批补加NH4HCO3可在不影响螺旋藻生长的情况下，降低NaNO3总需求量，促进脂质合成。每6 d补加50 mg/L NH4HCO3螺旋藻的固氮率和固碳能力最高，分别为32.33%和149.24 mg/(L·d)，并在第12天获得最大生物量1.30 g/L。此外，不同分批补料方式影响了耦合系统中螺旋藻后期产物的形成，每6 d补加50 mg/L NH4HCO3有利于螺旋藻蛋白质生产，质量浓度达889.17 mg/L；每6 d补加75 mg/LNH4HCO3有利于螺旋藻碳水化合物的累积，质量浓度达1 632.86 mg/L。本研究通过分批补料为化学吸收-微藻转化耦合体系推广提供指导，具有一定应用前景。

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洁净煤技术

2022年第09期

427

315
光､电催化CO2耦合有机化合物催化转化研究进展

作者(Author)：王若愚, 李金昊, 宁晨君, 田强, 赵宇飞

摘要：CO2资源化利用是降低CO2排放，实现碳中和的重要方式。其中，CO2与有机化合物耦合催化转化被认为是最有效的CO2资源化路径之一。经典的热催化耦合反应由于反应条件较为剧烈，导致能耗较高且增加了碳排放，使其应用受到限制。研究表明，使用光、电催化CO2与有机化合物耦合制备高附加值产品可直接利用清洁能源，不仅实现CO2减排，促进可持续发展，还可获得碳酸酯及羧酸等高附加值化学品，创造更多经济价值。该类催化反应通常以有机分子活化为主，CO2分子活化为辅，通过光或电活化底物分子，生成高能量的活性中间体，进而克服热力学障碍。从光、电催化的优势、反应效率和反应条件等方面综述近年来光、电催化CO2与有机化合物耦合制备碳酸酯、羧酸等研究进展，详细讨论了针对不同类型有机化合物的活化策略以及各类反应的反应机理，最后提出了该领域当前仍面临的挑战并对未来进行展望。光催化多用于CO2对C—O键、C—H键的插入，主要产物分别为酯和羧酸，反应多在常温常压下进行。其中CO2与环氧化物的环加成反应研究较多，其多相催化反应已具有理想的转化率和选择性；CO2与烃类反应对合适的底物可达到理想的羧酸产率，但需均相催化剂的催化。此外，光催化反应中普遍存在的反应速率不高、可见光不易利用等问题也亟待解决。电催化多用于CO2在阴极端对C—X键、C=C键的插入，主要产物分别为羧酸和二羧酸，反应大多在常温常压下进行。其中，C—X键的还原羧化可在电极表面或溶液中存在催化剂时高效进行，但反应常生成烷烃等副产物；C=C键的还原羧化无需催化剂，但存在单羧酸和二羧酸的竞争，当底物为共轭二烯时产物更复杂。该体系研究中多采用活泼金属作为牺牲阳极，因此除提高某一产物的选择性外，未来该类型电催化反应还应考虑阳极的高效利用。

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洁净煤技术

2022年第09期

499

441
“酶+X”耦合催化CO2资源化转化

作者(Author)：刘书松, 张博禹, 吴振华, 赵熙瑶, 石家福

摘要：“碳达峰、碳中和”是我国统筹国内外局势做出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、构建人类命运共同体的庄严承诺。碳捕集与封存技术（CCS）作为传统的CO2治理方法存在潜在的泄漏风险且会造成巨大的经济负担。近年来，碳捕集、利用与封存技术(CCUS)由于可将捕集的CO2转化为附加值产品以实现资源化利用，被认为是CCS的有效替代和补充方案。发展高效的CO2资源化技术是CCUS的关键。酶催化技术作为典型的绿色生物制造技术在CO2资源化利用领域受到广泛关注。构建以酶催化为基础的耦合催化系统为CO2到高值化学品或燃料的资源化转化创造了丰富的路径网络。综述了近年来基于生物酶介导的“酶+X”耦合催化CO2资源化转化系统，包括“酶+酶”耦合催化系统、“酶+化学”耦合催化系统、“酶+光”耦合催化系统和“酶+电”耦合催化系统。对不同耦合催化系统的结构进行解析，明确了系统特点及催化反应过程。在结构解析的基础上讨论了系统模块设计与性能强化的关键。阐述了“酶+X”耦合催化系统应用于CO2资源化转化的优势与不足，并对其未来发展方向提供了建议。“酶+酶”耦合催化系统较单酶催化系统丰富了CO2转化为目标产物的路径可设计性，可通过多步反应促使CO2还原产物向具有更高附加值的方向转化，极大提升CO2资源化转化的经济效益。“酶+化学”耦合催化系统利用化学催化过程对CO2进行预先转化，后续的酶催化过程可直接以C1化合物作为反应底物，在催化CO2转化为C2/C2+等多碳化合物方面表现出独特优势。“酶+光”耦合催化系统模拟自然光合作用利用光能实现辅酶循环再生，避免了辅酶依赖型酶催化反应对外源性还原当量的消耗。“酶+电”耦合催化系统可通过施加外部偏压直接或间接实现电极与酶活性中心之间的有效电子迁移，继而驱动酶催化CO2加氢转化为载能化合物。“酶+X”耦合催化系统弥补了单一的酶催化系统催化CO2资源化转化驱动力不足的弊端，具有独特的优势和广阔的应用前景。但不同催化系统的耦合增加了体系复杂性，需对耦合系统进行精密构筑，且酶催化剂的蛋白属性也在一定程度上影响了“酶+X”耦合系统催化CO2资源化转化的应用场景。今后一段时间，CO2捕集与封存仍是实现双碳目标的主要策略，但包括“酶+X”耦合催化CO2资源化转化技术在内的CO2利用技术将逐渐成为趋势，有望真正实现碳中和目标。

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洁净煤技术

2022年第09期

687

631
基于低温等离子体的CO2催化加氢制甲醇研究进展

作者(Author)：韩丰磊, 刘晓琳, 司佩壮, 贾继磊, 季纯洁, 朱一凡, 张宇鹏

摘要：社会快速发展在带来富足生活的同时，也造成温室效应、环境恶化等一系列负面影响。“碳达峰、碳中和”作为八项重点任务之一不断被提及，对环境保护提出了更高要求。因此控制CO2排放量，对其进行回收、固定、利用及资源化利用，降低大气中CO2浓度，已成为世界各国十分关注的问题。但CO2分子十分稳定，分解活化通常需要高温、催化剂和光、电等能量的输入，而高温易导致催化剂失活。目前CO2转化技术如催化转化和生化过程均存在催化剂失活、能量消耗高等缺点。相比上述技术，等离子体技术具有操作条件简单、易升级、能量成本低等优点。利用等离子体技术，可在室温、常压下，将CO2转化为具有高附加值的燃料和化学品。当等离子体技术联合催化剂后，CO2转化率进一步提高。在诸多CO2利用技术中，CO2氢化有利于生成高能效增值产品，具有现实意义和广阔前景。对等离子体催化CO2加氢制甲醇过程中催化剂类型、反应器结构及操作条件的影响进行研究和综述，可为CO2资源化利用提供更好的参考。研究表明，当等离子体与催化剂联合时，更有利于甲醇合成，因此后续需关注活性更高、成本更低、制备方法更简便的催化剂。同时，反应器结构也会影响CO2转化率，可以考虑进一步优化反应器，目前具有较冷催化剂床的低温等离子体反应器更适合CO2加氢制甲醇。但低温等离子体催化CO2加氢制甲醇反应过程较复杂，对CO2转化机理的探索需要进行更多建模。

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洁净煤技术

2022年第09期

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