減碳不僅是國家政策規劃承諾的問題，也是關系到我們人類賴以生存的環境問題。IPCC（政府間氣候變化專門委員會）關于全球變暖1.5℃的特別報告指出，CCUS（碳捕集利用與封存）技術可以有效改善全球氣候變化，并明確指出CCUS技術對于在2050年實現零碳排放具有重要意義。

根據2015的巴黎氣候大會披露的減碳圖表，可以看出CCUS技術主要是在2030年之后全球將逐漸發力于二氧化碳的移除，而這與中國2030碳達峰的目標不謀而合。

碳減排首先第一步是將二氧化碳捕集，后續可將捕集的二氧化碳直接封存也就是CCS，或是把二氧化碳能源化或資源化也就是CCU。在這些步驟中，二氧化碳捕獲是最關鍵的技術，因為它占整個CCS運營成本的70%以上。CO2捕集的方法可按照對燃料、氧化劑和燃燒產物采用的措施，可以分為燃燒前捕集、純氧燃燒和燃燒后捕集3大類，如下圖所示。

燃燒前捕集是相對成本較低、效率較高的一種方法。此方法將化石燃料氣化成合成氣(主要成分為H2和CO)，然后通過變換反應將CO轉化為CO2，再通過溶劑吸收等方法將H2和CO2分離開對CO2進行收集。但此技術局限于基于煤氣化聯合發電裝置(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)，因此以此技術投產的項目較少，燃燒前捕集CO2的成本大約為20美元/t CO2，尚需要更多的項目來進行驗證。

富氧燃燒技術采用純氧或者富氧將化石燃料進行燃燒，燃燒后的主要產物為CO2、水和一些惰性組分。水蒸氣冷凝后，通過低溫閃蒸提純CO2，提純后的CO2濃度可達80%～98 vol%，提高了CO2捕集率。

由于燃燒前捕集和富氧燃燒需要合適的材料和操作環境來滿足高溫要求，因此這兩種技術的研究與開發和示范性項目較少。相比較而言，燃燒后捕集技術是當前煉廠應用較為廣泛且成熟的技術，該技術具有較高的選擇性和捕集率。常用的方法如化學吸收法、膜分離法、物理吸附法等。化學吸附法被認為是當前最有市場前景的吸附方法，在化學吸附中，胺類溶液以其吸收效果好的特點被廣泛應用，但是目前核心技術被國外壟斷。以當前的技術，燃燒后捕集CO2的成本大約是40美元/t CO2。物理吸附主要是用固體吸附劑來實現對CO2的捕集，如CaO/MgO基吸附劑，biochar，MOF等，目前處于實驗室研發階段。

最近，使用固體吸附劑的二氧化碳捕集技術吸引了極大的關注，因為它可以在廣泛的溫度窗口（從環境溫度到700℃）下運行。此外，廢棄的固體吸附劑可以以較少的環境預防措施進行處理。根據反應溫度的范圍，固體二氧化碳吸附劑可以分為三種類型：低溫（<200℃），中溫（200-400℃），以及高溫（>400℃）吸附劑。高溫CaO基材料在很大程度上被應用于二氧化碳捕集，因為它與二氧化碳的反應性很高（CaO的理論捕集能力為17.8 mmol g-1）。最近的研究表明，使用氧化鈣基吸附劑進行碳捕集的成本為每噸二氧化碳16-44美元，這比目前每噸二氧化碳約32-80美元的胺類洗滌技術非常有競爭力。

高溫CaO基材料進行二氧化碳捕集的核心機理：CaO在600-800℃的溫度范圍內與CO2反應，并在高于800℃的溫度下再生。與CO2發生的碳化和煅燒反應如下圖所示。

生物炭（biochar）是一種生態友好型吸附劑，由天然生物質或農業廢棄物生產。由于生物質的廣泛使用，生物炭比其他二氧化碳吸附劑便宜近10倍。原始生物炭對二氧化碳表現出較低的吸附能力，但在許多研究中，改性生物炭顯示出對二氧化碳的吸附能力增強。有幾種改性方法已被測試和應用，并取得了不同程度的成功。

生物炭的二氧化碳吸附能力，即每單位重量的生物炭所吸附的二氧化碳量，主要取決于生物炭的理化性質，如表面積、孔徑、孔體積、生物炭表面的堿性、表面功能團的存在、堿金屬和堿土金屬的存在、疏水性、極性和芳香性等。

許多研究表明，引入堿性氮功能團會增強生物炭上的堿性位點，增加對酸性CO2的吸收。生物炭的胺處理很重要，因為它增加了含氮官能團的數量和堿性，從而提高了對二氧化碳的整體吸附量。

生物炭基吸附劑在二氧化碳去除方面的實際大規模應用目前主要受三點阻礙：首先，盡管高吸附能力和長期循環運行對確保該技術的經濟性和實用性至關重要，但生物炭基吸附劑的穩健性和穩定性還沒有得到充分證明；其次，對于存在多種氣體介質的情況，重要的是要知道除CO2以外的氣體是否會影響CO2的吸附能力（即競爭性吸附），以及生物炭如何影響這些其他氣體的濃度。例如，二氧化碳的吸附能力可能會被最初吸附在碳上的H2O所降低；最后，和CaO基固體吸附劑一樣，經過多次吸附再生循環后二氧化碳吸附能力下降。而循環吸附后二氧化碳捕獲能力的大量損失可能會增加再生的成本，并限制生物炭作為碳封存材料的使用。

目前，在歐美國家，生物炭被廣泛用作動物健康的飼料添加劑，如凈化空氣和水。它在當地利用殘余材料生產，可限制運輸費用和排放，并在改進最終產品質量的同時取代稀少的資源。生物炭的廣泛應用使大規模負排放成為可能?？杀皇澜绺鞯爻汕先f的農民，公共服務機構，建筑材料供應商所應用。生物炭是一個分散的行業，有各種各樣的制造商，其中大多數是小型私營公司。前五大生產商僅占市場的38.34％。生物炭生產商績效的一個關鍵變量是原材料成本，而木材現在是生物炭的主要原料，但其價格將高于其他衍生產品。生物炭消耗面積最大的是土壤改良劑，占2017年美國生物炭消費量的82.94％。2017年生物炭市場規模為30052.10噸，預測到2023年有望達到135524.38噸，2017年至2023年的增長率為24.01％。

工業是現代社會的基礎，也是經濟發展的源泉，在帶來了經濟效益和工作機會的同時，也帶來了許多問題。工業消耗了全球1/3的能源，也產生了全球1/3的溫室氣體。在實現近零排放目標和實現全球溫控1.5℃路線圖的進程中，CCUS技術將起到至關重要的作用。IEA預估利用CCUS技術，從2017年到2060年可以減少280億噸的CO2排放。

下一代碳捕集技術將會在材料的創新、工藝或設備的改進上取得突破，這些新進展將使得投資運營成本降低的同時提高捕集效率。如Ion Engineering公司的非水溶液、MTR公司的膜分離體系、三菱重工的KS-21溶劑、Lind-BASF的貧富溶液吸收再生循環技術等，都已經在FEED(Front and End Engineering Design，前端工程設計)工程設計項目中進行了實踐。隨著工業的進步，下一代捕集技術將助推CCUS技術的進步和發展。

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參考資料：

[1]https://huanbao.bjx.com.cn/news/20210429/1150219.shtml

[2]https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2018.08.001

[3]https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109582

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