分离CO₂的膜法技术

美国德克萨斯大学的工程技术人员开发的改进型塑料材料可大大改进从天然气中分离温室气体CO₂的能力。这种新的聚合物膜可自然地仿制电池膜中才有的小孔，基于它们的形状，其独特的砂漏形状可有效地分离分子。科学工业研究组织2007年10月的评价表明，它可从甲烷中分离CO₂。像海绵一样，它仅吸收某些化学品。新的塑料允许CO₂或其他小分子通过砂漏形状的小孔，而天然气（甲烷）则不会通过这些相同的小孔运移。这种热重排（TR）塑料通过小孔分离CO₂要优于常规膜的4倍。Benny Freeman教授的实验室研究也表明，热重排（TR）塑料膜的分离速度也较快，比常规膜去除CO₂要快几百倍。如果这种材料用于替代常规的醋酸纤维素膜，则天然气加工装置需要的空间可减小500倍，因为该种膜有更高效的分离能力，废弃产物中损失的天然气也很少。热重排（TR）塑料将来也有助于再捕集CO₂以泵入油藏。热重排（TR）塑料分离CO₂和天然气后，管输天然气则仅含2% CO₂，提高了天然气浓度。这种膜可望应用于天然气加工装置，包括空间有限的海上平台。

韩国科研人员宣布发明了一种可迅速过滤大量二氧化碳气体的新型塑料薄膜，这种薄膜在温室气体减排方面应用前景广阔。研究人员表示，这种薄膜的具体用途是可让沼气和氮气等其他气体自由通过，从而实现这些气体与温室气体二氧化碳的分离。这样，无法通过薄膜的二氧化碳便被留住。据韩国科学技术部介绍，汉阳大学研制的这种薄膜主要材料是经过热处理的聚酰亚胺，其效果超过了过去研制的醋酸纤维薄膜。这种薄膜可用于减少火力发电厂和天然气井的二氧化碳排放量，其减排效率要比现有技术高出大约500倍。韩国政府支持这项研发，并将其纳入旨在提高韩国在科学和工程领域竞争力的21世纪前沿研发计划。最新一期美国《科学》杂志发表了有关这项发明的论文。研究人员表示，虽然当今的企业并非急需使用这种新型薄膜，但全世界目前正在进行的旨在削减温室气体排放的工作，将使这种薄膜的需求量在今后3年至4年里有所增加。研究人员目前正在进行用这种过滤材料固化和压缩二氧化碳的工作，其目的是将二氧化碳掩埋到深海。

在5年内，欧洲4座大型电厂将进行中型规模试验，采用由挪威科技大学开发的能效CO₂过滤膜。挪威科技大学化学工程系的膜研究团队May-Britt Hägg教授表示，这种膜将首次低成本地应用于从烟气中脱除CO₂。这种膜可以很容易地使回收纯度为90%的CO₂达到85%。常规情况下，从烟气中捕集CO₂需要大的吸收塔，气体通过有害的胺溶液被鼓泡吸收，然后再送到能量密集的脱附塔，以脱除CO₂。在提出的替代方案中，由于气流中含有CO₂液体的携带，被支撑的液膜会趋于快速减少。但该大学研究团队开发的膜解决了这些问题，他们应用比较固定的聚乙烯基胺纳米塑料作为“固定化载体”，在聚合物结构中采用NH₄F交联，用以改进阴离子交换。当来自烟气的水蒸气饱和时，胺和氟化物离子将单独与CO₂络合成为双碳酸盐。因为HCO₃–阴离子随CO₂反复通过后而会再次显露，为此不需要使膜频繁地进行再生。这种膜已在实验室规模利用经加热后的氮气、甲烷、二氧化碳和水蒸气组成的模拟烟气进行了5年的试验。研究人员还建立了小型中试，采用少量气流（约0.15 Nm³/h）对膜曝置于实际烟气中进行了持久性试验，试验情况很好，并将在约三年内进行较大规模的中试。

从大气中直接捕集CO₂的技术

美国哥伦比亚大学的科学家2007年10月中旬宣布，正在加快开发从大气中直接捕集CO₂的工业技术。分析认为，这样可从分散的和移动的排放源捕集全球温室气体排放的50%，甚至无需完全采用碳捕集和贮存（CCS）技术，据统计，大的静止点排放源产生超过0.1Mt/年CO₂。由Frank Zeman提出的技术基于Klaus Lackner以前在哥伦比亚大学所作的工作，已確立了这一特定的空气捕集工艺过程的热动力学可行性。Klaus Lackner于1999年首次提出从空气中去除CO₂以达到碳捕集和贮存的目的。新的研究成果已在美国《环境科学和技术（Environmental Science & Technology）》2007年11月版上发布。

空气洗涤过程需要多个步骤。首先，NaOH碱溶液吸收CO₂产生溶解性碳酸钠。吸收反应是气液反应，为强放热反应。2NaOH_(ag) + CO_2(g) → Na₂CO_3(aq)+ H₂O_(l)   ΔH° = -109.4 kJ/mol   与氢氧化钙(Ca(OH)₂)的反应可从溶液中去除碳酸钙离子，其结果是生成方解石(CaCO₃)沉淀。苛化反应是中等放热反应。Na₂CO_3(aq) + Ca(OH)_2(s) → 2NaOH_(aq) + CaCO_3(s)   ΔH° = -5.3 kJ/mol  接着，碳酸钙沉淀从溶液中被过滤出来，并被热分解产生气态CO₂。焙烧反应在过程中仅是放热反应。  CaCO_3(s) → CaO_(s) + CO_2(g)   ΔH° = +179.2 kJ/mol  方解石在石灰窑中用氧气进行热分解是为了避免附加的气体分离步骤。石灰(CaO)的水合完全是循环的。CaO_(s) + H₂O_(l) → Ca(OH)_2(s)   ΔH° = -64.5 kJ/mol  采用CO₂空气捕集的重要挑战之一是气体的浓度低：假定为50%的捕集率和80 ppm (0.015 mol/m³) CO₂浓度，则必须处理大气中133 m³才能捕集1 mole CO₂。为此，要采用比常规烟气洗涤更大的洗涤器才能去除更多的气体。洗涤器尺寸是吸收速率的函数，继而受到与空气流动相接触的溶液表面积和溶液的碱度所控制。溶液的pH值影响单位表面积的吸收率，而结构则支配着单位体积的表面积。随着CO₂被吸收，溶液使NaOH转化为Na₂CO₃。这就降低了气相中的CO₂和液相中的OH，这两者都会使吸收器吸收速率下降。吸收空气中的CO₂越多就可更多地减少必须通过吸收器的空气总量，而这种吸收就可使所需涉及的液体面积减少。最终的设计必须使这两个相矛盾的需求保持平衡。Zeman计算了处理被捕集的350 kJ/mol CO₂过程的能耗。这一能耗主要是石灰窑的热能需求以及输送空气所需的机械动力。

美国哈佛大学和宾州大学的研究人员受自然现象的启发，提出了将二氧化碳气体溶解入海水，并形成碳酸钙永久沉积在海洋中的方法。相关研究论文刊登在2007年10月出版的美国《环境科学和技术》杂志上。大气中的二氧化碳能溶解在云层的淡水中，形成碳酸溶液，当其以酸雨的形式降到地面后，碳酸与陆地上的岩石发生反应，产生碳酸盐。这就是人们常说的自然界存在着的硅酸盐岩石风化过程。受硅酸盐岩石风化现象的启发，研究人员研究认为，可以采用电化学的途径将海水中的氯化氢提出，并让用岩石中和来自海水的氯化氢。此时的海水由于减少了氯化氢而呈碱性，给二氧化碳溶解于其中提供了空间。研究人员表示，虽然二氧化碳进入海水多以碳酸氢根的形式存在，但是随着时间的推移，它们会同海水中以及逐步进入海中的碱性物质发生反应，产生中性物质特别是碳酸钙。碳酸钙作为海中的沉积物，可将碳永久性地存留在海洋中，同时有利于珊瑚礁的生存。哈佛大学地球和行星学系研究人员库尔特•曾兹•豪斯表示，他们的方法可以有选择性地去除海洋中的酸性物质，帮助减少大气中的二氧化碳，同时不会导致海水因二氧化碳的溶解出现酸性化，并最终让全球变暖的时钟倒转。从根本上说，新方法能极大地加速自然界自身清除温室效应气体聚集的过程。不过，研究人员同时谨慎表示，尽管他们提出的应对全球变暖的方法是可以实现的，但是实际实施时可能会耗费巨额资金，同时还需进一步研究该方法对环境是否会造成其他危害。

海藻生物反应器去除CO₂