基于膜分离的沼气及烟气CO_2捕集技术应用进展

创新点

从膜分离技术在沼气脱碳、烟气碳捕集方面的实际应用角度出发。本文：

介绍了CO₂膜分离技术原理、CO₂膜材料研究现状；

梳理整理了膜分离技术用于沼气脱碳及烟气碳捕集的应用案例，总结分析了膜分离技术应用现状及现阶段存在的不足；

结合“碳达峰、碳中和”，提出了膜分离用于沼气脱碳、烟气碳捕集今后的进一步研究建议和方向。

通讯作者简介

代忠德教授

代忠德，四川大学教授，博导。入选国家海外高层次人才青年项目，四川省高层次人才青年项目。主要从事CO₂捕集、气体膜分离、大气污染控制等碳中和方向的科研与教学工作。截止目前在Journal of Materials Chemistry A，Chemistry of Materials，NPG Asia Materials，Green Chemistry等领域内权威期刊发表论文100余篇。获Elsevier RINENG Young Investigator Award，Carbon Capture Future Star Award，Carbon Capture Science and Technology编委，Results in Engineering期刊编委，Sparation and Purification Technology青年编委。

第一作者简介

银登国博士研究生

银登国，工程师，四川大学建筑与环境学院博士研究生，现就职于东方电气集团东方锅炉股份有限公司，注册化工工程师。主要从事新型烟气污染物治理技术、碳捕集相关技术研发，已授权专利7项，其中发明专利1项。先后参与国家科技支撑计划、国家自然科学基金、四川省科技计划项目，主持四川省自然科学基金面上项目1项。

基于膜分离的沼气及烟气CO₂捕集技术应用进展

作者

银登国^1,2，周志斌³，魏静^1,4,5,6，马玉磊^1,4,5,6，秦子康^1,4,5,6，邓敏^1,4,5,6，吴元明²，杜文韬²，代忠德^4,5,6,∗

单位

1. 四川大学建筑与环境学院

2. 东方电气集团东方锅炉股份有限公司

3. 中石化南京化工研究院有限公司

4. 国家烟气脱硫工程技术研究中心

5. 四川省碳中和技术创新中心

6. 四川大学碳中和未来技术学院

基金项目

1. 国家自然科学基金资助项目(52170112)

2. 四川省科技计划资助项目（2021YFH0116）

3. 四川省自然科学基金资助项目（2023NSFC0113）

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摘要

在实现“碳达峰、碳中和”目标过程中，碳捕集技术成为当下研究热点之一。目前，碳捕集技术主要包括吸收法、吸附法、膜分离法等。在众多碳捕集技术中，膜分离法利用气体分子在膜内透过速率的差异实现分离，具有节能、高效、操作方便且无二次污染等优势，是近些年发展迅速的CO₂捕集技术。在过去的几十年里，虽然有许多种不同的碳捕集膜材料在文献中被报道，其CO₂分离性能远超Robeson上限，但只有少数膜材料被应用于工业过程中，或正在向工业应用方向发展。事实上，许多膜的研究都是在实验室规模下进行的，测试膜面积较小，且对于膜分离法的实际应用报告较少。本文结合工业CO₂分离/捕集过程，介绍了商业膜和经过中试规模测试的膜的应用，分析了膜分离技术用于沼气脱碳和烟气碳捕集的试验进展及工程应用案例，并针对当前存在的问题，提出对未来基于膜分离法的工业碳捕集的发展方向的建议。

研究背景

温室效应导致的气候变暖正在对全球产生一系列持续而恶劣的影响，例如冰川消融、海平面上升、极端天气增加、生物多样性锐减、生态系统功能紊乱和人类健康风险提升等。《巴黎协定》重申了“将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内”的长期目标，并且再次敦促各国逐步减少未采用捕集与封存措施的煤电。

CO₂捕集、利用与封存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）技术被认为是减缓温室效应的有效举措。现有已开发的众多CCUS技术中，以第一代碳捕集技术——化学吸收法最为成熟，化学吸收法利用反应性化学溶剂如单乙醇胺（Monoethanolamine, MEA）、二乙醇胺（Diethanolamine, DEA）、甲基二乙醇胺（Methyldiethanolamine, MDEA）等从烟气、天然气或煤气中进行碳捕集，但基于有机胺的液体吸收过程具有高能耗，设备腐蚀、吸收剂降解、挥发并污染环境等问题。

2021年发布的《中国碳捕集利用与封存技术发展路线图》中认为以新型膜分离技术为代表的第二代CO₂捕集技术潜力巨大，技术成熟后其能耗和成本可比第一代CO₂捕集技术降低30%以上，该技术具有分离效率高、能耗低、设备占地面积少、无二次污染、投资成本和运行成本都较低等优点。

在实际烟道气碳捕集或天然气脱碳的工程应用中，理想的膜材料除应具备高CO₂渗透性、高CO₂选择性、良好的热稳定性和化学稳定性外，还应当具有抗塑化、抗老化、成本低等特点。在保证分离效率的同时，兼顾成本与使用寿命是膜分离碳捕集走向工业化应用的主要挑战之一。为了明确膜分离碳捕集技术的研究方向，本文针对CO₂膜分离技术的工业实际应用，围绕膜分离原理、膜分离材料、膜分离中试及工业化应用等展开归纳梳理及总结，并对未来膜分离碳捕集技术的研究方向进行展望。

部分图片

图1 气体在膜中的渗透机理^[7]

图2 基于膜分离和CO₂回收装置的CO₂/CH₄分离过程示意图^[40]

图3 膜工艺中压力和温度的影响^[40-41]

引文格式

银登国,周志斌,魏静,马玉磊,秦子康,邓敏,吴元明,杜文韬,代忠德.基于膜分离的沼气及烟气CO₂捕集技术应用进展[J/OL].能源环境保护:1-9[2024-02-19].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240124.

YIN Dengguo,ZHOU Zhibin,WEI Jing,MA Yulei,QIN Zikang,DENG Min,WU Yuanming,DU Wentao,DAI Zhongde.Recent progress of membrane-based CO₂ capture from biogas and flue gas[J/OL]. Energy Environmental Protection:1-9[2024-02-19].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240124.

　　责任编辑：宫在芹

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