捕获碳

在谢菲尔德和罗瑟勒姆之间一个不起眼的小工业单位里，研究人员和技术人员围绕着三个长长的金属圆筒工作。这些气缸是英国最新的减震器中试规模的先进公司₂捕捉技术(协议)项目。在吸收器内，CO₂燃烧燃料产生的甲烷会与单乙醇胺(MEA)等胺溶剂发生反应，将其捕获并在解吸器中释放。使用MEA, Pact可以吸收大约一吨二氧化碳₂该设施的业务发展经理克里斯·米尔科夫斯基(Kris Milkowski)解释道。

该协议是英国碳捕集与封存(CCS)努力控制CO排放的核心₂它的规模反映了该技术的地位。即使该基地目前没有将气体排放到大气中，它对2014年全球约400亿吨排放的影响也将是难以察觉的。但如果这些试验工厂能够扩大规模，CCS可以让现有的化石燃料发电厂继续运行，同时缓解它们对气候的威胁。

尽管CCS从20世纪70年代就开始使用了，但到今天还远远没有达到标准。PACT从附近的Ferrybridge燃煤电厂购买的一套碳捕获实验仪器可以说明这一点，这些仪器可以吸收100吨CO₂一天。由于没有进一步的政府资助或商业模式来支持继续运行，已完成的实验设施于2014年6月被拆除。

除了经济和政治问题外，技术和化学挑战也导致了进展缓慢。今天，大多数碳捕获过程依赖于MEA及其能源密集型的吸收-解吸循环，使其昂贵，并带来进一步的污染问题。因此，科学家们正在考虑许多替代吸收材料，以及完全避免吸收-解吸循环的方法。

捕捉烟道

通过将各种小型发电厂的“烟道气”直接泵入吸收器，Pact将实验性的碳捕获方法通过现实的步伐进行。米尔科夫斯基解释说:“气体从底部进入吸收塔，溶剂从顶部喷洒到吸收塔内部的包装材料上。”虽然反应机理还不完全清楚，但MEA首先捕获了CO₂通过两性离子的酸碱相互作用，再通过共价形成氨基甲酸酯。扭转这个过程，释放CO₂在解吸器中，PACT使用加压热水热交换器将溶剂温度提高到118°C。

CCS对环境影响的生命周期分析综述安德里亚·拉米雷斯荷兰乌得勒支大学的研究人员及其同事展示了为什么需要更有效的过程。¹拉米雷斯解释说:“在使用CCS的发电厂中，需要提取额外的化石燃料来产生等量的能量。”“因此，来自采矿、勘探和燃料运输的排放量增加了。她指出，这也是清理化石燃料供应链的一个原因。

MEA在与烟气杂质反应时也相对容易降解。更换它不仅昂贵，而且一些排放的副产品，如硝胺和亚硝胺，是有毒的。拉米雷斯强调，因此，对不同的、更稳定的胺溶剂的研究正在顺利进行，而且捕捉有毒排放物的工厂配置也在测试中。这个问题必须解决，但还没有严重到完全谴责CCS，她补充道。“我们认识到这对其他环境类别的影响，但使用化石燃料而不使用CCS将产生更大的后果。”

获得物理

一些研究人员将21世纪的材料引入CCS，而不是调整20世纪70年代的技术。马丁·施罗德正在英国诺丁汉大学研究金属有机框架(MOFs)。他说:“这些三维材料可以通过有机连接器和金属节点的变化来调节。”的有限公司₂可与金属中心和/或配体功能相互作用。这是CO的物理吸附或化学吸附₂变成显示永久孔隙的MOF。这有点像制造分子气瓶。”

MOFs可以潜在地降低能源消耗，因为它们不需要设备提供大的温度变化-被称为“温度波动”单元。相反，像一些CCS配置中使用的醇基溶剂(如Selexol)一样，mof利用“压力波动”捕获CO₂在高压下释放，在低压下释放。

Schröder的团队用其领先的MOF, NOTT-300填充栏目。当气体混合物通过这个色谱柱时，NOTT-300结合CO₂所以₂有选择地。²“我们不是在制造氨基甲酸酯，我们是在制造含有CO的超分子远距离接触₂”施罗德解释道。“我们正在研究框架材料和CO之间的化学识别₂通过氢键。”

虽然NOTT-300是一种很有前途的铅材料，但与许多MOFs一样，它的高选择性和高存储容量受到CO之间竞争的阻碍₂以及烟气中的水。Schröder说:“一种可能的解决方法是让材料更疏水，但这个问题肯定还没有解决。”“此外，许多mof对水和温度不稳定。他的团队还试图扩大NOTT-300的产量，他强调这对碳捕获至关重要。“你说的是大量CO₂数量，你可能只有几毫克的新材料。这种化合物可能效果很好，但你可能制造不了足够的量，而且可能太贵了。”

他认为，这些仍然是关键问题斯特凡诺Brandani来自英国爱丁堡大学的研究人员，尽管对MOFs的碳捕获研究已经有十年了。他的团队至少从2007年就开始研究它们，现在正与挪威研究组织合作SINTEF来测试20-30g的mof颗粒。布兰达尼说:“我相信这个项目是第一个在这种规模上测试最佳MOFs碳捕获的项目。”虽然MOFs是爱丁堡研究人员正在研究的几种用于碳捕获的多孔材料之一，但它们的性能特别好。布兰达尼说:“0.1巴和40ÀC的吸收能力是商用沸石的两倍。”

Brandani正在领导一个名为“从燃气发电厂(AMPGas)中进行碳捕获的吸附材料和工艺”的项目，该项目包括MOFs、涂覆在介孔支架上的胺和新型沸石。固体吸附剂已经在商业上使用，可口可乐公司使用它们来捕获和净化CO₂从燃烧天然气发电和供热，释放到碳酸饮料。布兰登尼认为，现在先进的固体吸附剂在技术上已经为大规模测试做好了准备。

他强调了这家总部位于美国的工业气体供应商空气化工产品公司在德克萨斯州亚瑟港的一家炼油厂安装了两个真空摆动吸附装置，利用纳米多孔材料。从2013年1月启动到2014年6月，该设施已经捕获了超过100万吨的CO₂为提高附近油田的采收率而出售。在置换了可以出售获利的石油之后，天然气仍留在地下。“显然，如果有市场愿意为二氧化碳买单，碳捕获的成本就可以抵消₂布兰达尼强调道。

除了这种“燃烧后捕获”方法，PACT还在寻找另一种获得高纯度CO的方法₂，被称为氧燃料燃烧捕获。在空气中燃烧煤炭产生的传统烟道气通常含有约12%的CO₂，以及80%的氮。而不是抽烟道气通过吸收塔提取和浓缩CO₂在美国，含氧燃料方案将一部分烟道气与纯氧一起回收到燃烧器中。对于煤炭来说，这可以提高CO₂水平达到95%。

的有限公司₂来自天然气锅炉的烟气浓度较低，仅为9%，因为燃烧更“稀薄”，有更多多余的空气。然而，研究表明，氧燃料可以提高80%以上。PACT还在探索燃气轮机的烟气循环利用，以增加CO₂浓度和增强燃烧后捕获。

回答燃眉之急

如果碳捕获化学还不够重要的话，最近的赌注已经提高了。各国政府一致认为，全球气温上升超过2°C(比工业化前水平高)将是危险的。根据联合国政府间气候变化专门委员会的预测，要保持在这一水平以下最新报告在美国，CCS可能需要帮助“糟糕的”CO₂从空中。燃烧的有限公司₂——消耗农作物获取能源，并捕获和储存由此产生的排放，是目前看来最可行的方法。

因此，生物质是PACT正在准备详细研究的一个课题。米尔科夫斯基解释说:“生物质产生的烟气成分非常不同。”“我们的问题是船内的卤化物和与之相关的腐蚀。生物质烟气中的微量气体可能影响溶剂性能和降解途径。生物质也比煤炭更难过滤。它含有更细的微粒，而这些微粒可能会影响MEA的亚硝胺排放。”

这种系统与可再生能源相比很好

然而，PACT的生物质研究由于对该设施的能力和升级系统的巨大需求而被推迟。该网站在上线过程中也遭遇了意想不到的挫折。米尔科夫斯基回忆说:“不幸的是，金属窃贼偷走了我们工厂的一些东西。”“我们本应在2012年9月投入使用，但被推迟到2013年8月。”

米尔科夫斯基呼应了布兰达尼的观点，即捕捉技术已经为大规模演示做好了准备。他评论说，在含氧煤和燃烧后捕获的天然气之间，“没有一个明确的赢家”。然而，预计在2016年至2020年之间投入运营的两个英国示范项目应该会澄清这些问题。在约克郡PACT附近的Drax大型发电厂的氧煤项目，以及苏格兰Peterhead的天然气燃烧后设施，将结合发电，CO₂捕获、运输和地下储存。米尔科夫斯基说:“一般来说，这些系统与可再生能源相比还不错，但直到我们运行起来，我们才能了解真正的成本。”

具体的命题

作为化学家和化学工程师，谢菲尔德大学的彼得Styring认为这些方法过于注重工程。他是CO2Chem网络的主席，该网络希望使用CO₂作为化学原料。“作为化学家，我会溶解一氧化碳₂Styring强调说，在容器中注入氮气以创造惰性气氛之前，要在溶剂中加入试剂和催化剂。“所以我只是颠倒了化学工程师的做法。如果你有CO₂还有氮，为什么要去掉氮呢?我们可以跳过传统的捕获步骤，直接进入利用阶段。”

分解矿物所需的能量是巨大的

遵循这一理念，Styring的团队制造出了聚丙烯酸甲酯，一公斤的聚丙烯酸甲酯消耗1.01公斤的CO₂．类似的方法也可用于无机化学。为了演示，斯特灵举着一个塌陷的透明塑料瓶，里面装着灰色固体。硅酸盐水泥和水的混合物与CO发生了反应₂在密封的瓶子里，降低里面的压力，让大气把它压碎。这个粗制滥造的实验起源于CO2Chem成员科林山他联合创立了一家名为Carbon8的公司，将这种矿化过程商业化。

Brandani指出，利用这种方法的努力确实存在缺陷，矿化可能需要开采大量的硅酸盐，而且必须以细颗粒的形式提供，才能足够快地反应。他断言:“分解矿物所需的能量是巨大的，规模比碳捕获工厂大得多。”“在欧洲等地区，还需要考虑与大规模采石和运输相关的成本和公众接受度问题。”

但是希尔已经发现了许多废弃的矿物资源，可以用来用CO制作混凝土₂，如钢铁生产的炉渣。“你把CO关起来了₂而且因为你是用废物制造的，所以你得到了一种更环保的产品。凯蒂·阿姆斯特朗他是CO2Chem的网络管理员，同样来自谢菲尔德大学。出于类似的原因，Styring的团队正在研究从大气中的氮(捕获的CO)中生产负碳尿素₂还有电解水产生的氢。他们正在考虑在PACT旁边设立一个试验设施，获得它的氮气和CO₂直接从烟道气中提取

有限公司₂意味着业务

在关于碳捕获的艰难辩论中，可持续地创造有用的产品可能是一个令人信服的因素。根据全球CCS研究所的数据，目前全球CCS项目的总容量为4000万吨二氧化碳₂每年。^3.相比之下，2013年利用项目已经消耗了2亿吨二氧化碳₂每年。⁴

我们从来不会说CO₂利用这些资源将解决全球变暖问题，”阿姆斯特朗承认。但像Carbon8这样的公司正在寻找经济、低碳的市场途径。有很多方法结合在一起将对排放产生影响。它们都是一个巨大蛋糕的一部分，我们将不得不从中分很多块。

我们需要一个能源系统，提供清洁、可靠和负担得起的电力

由于认识到燃烧后碳捕获在某些情况下仍然是最佳选择，Styring的团队也在寻找新的吸收剂。科学家们已经开发出可用于变压系统的离子液体，通过避免加热来降低成本。一个很有希望的候选人⁵是一种聚合离子液体，能吸收自身重量77%的CO₂对氮的选择性为70:1。但目前的成本非常高，每吨约1500万英镑，而多边环境协定每吨为940英镑。因此，谢菲尔德小组正在继续研究如何最好地平衡技术和经济考虑。

由于这些努力，在解决多边环境的能源和稳定性问题方面正在取得进展。拉米雷斯说:“10年或15年后，其中一些解决方案将得到应用。”但是，这是最大的问题，只有建立示范项目，这种情况才会发生。

目前，这还不完全确定。全球CCS研究所暂时持乐观态度，指出2014年11月有22个项目正在建设中，比2011年增加了50%。然而，该机构监测的项目数量已从2012年的75个下降到2014年的55个。现有的运营工厂得以幸存，但人员流失主要影响了处于规划阶段的项目。这一趋势在2015年2月继续，当时美国政府取消了“未来发电”的2.0该项目被认为是该国迄今为止最全面的CCS项目。该项目已经花费了2亿美元(1.3亿英镑)。

尽管如此，研究仍在继续，希望能够克服政治和经济上的障碍，并认识到成功是多么重要。拉米雷斯强调说:“我们希望能源系统能够提供清洁、可靠和负担得起的电力。”由于化石燃料在确保可靠性和可承受性方面发挥着关键作用，因此在未来几十年里，化石燃料仍将在全球电力结构中占据一席之地。然而，我们不应该接受没有CCS的化石燃料。”

安迪·Extance是一位生活在英国埃克塞特的科学作家