浅议空气中二氧化碳吸收的方法

【摘要】论文将研究目的放在如何减少当前空气中已有的二氧化碳含量上，通过对比选取出了最佳的二氧化碳吸收方案，给出了一种有效的来吸收或转移空气中部分二氧化碳的装置的方案，从而实现减少空气中多余的二氧化碳这一目标。

【关键词】二氧化碳；吸收装置；化学吸收

一、引言

全球气候变暖已经成为众所周知的事情，导致温室效应的气体有很多种，但是二氧化碳所产生的增温效应占所有温室气体总增温效应的63%。资料显示，在过去近 100 年的时间里空气中二氧化碳浓度从 280ppm 增长到了目前的将近380ppm。科学家预测，今后大气中二氧化碳每增加一倍，全球平均气温将上升1.5～4.5℃，而两极地区的气温升幅要比平均值高3倍左右。研究表明，从地球上无数烟囱、汽车排气管排出的二氧化碳约有50%留在大气里，且在大气中的存留期长，最长可达到200年。

即使现在不增加二氧化碳的排放量，大气中包括二氧化碳在内的温室气体已经超标。因此，要有效地减少大气中的二氧化碳，一个是减少排放，另外一个是增加吸收。树木的确能吸收二氧化碳是不争的事实，但是增加树木种植面积同时会增加二氧化碳的排放，而新种植的小树要长成大树需要好多年，不能尽快解决目前的困境。目前各国提出的解决方案基本都是节能减排，然而，在节能减排技术开展到如火如荼的今天，依然未能阻止空气中二氧化碳含量继续增加的趋势。

二、国内外研究现状和发展动态

（一）国外研究现状

加拿大卡尔加里大学的环境科学家大卫·凯斯就利用大家都知道的化学反应发明了一种二氧化碳吸收机。这个吸收机的主体是一个5米高的竖塔，其中有一个气泵来吸收空气。竖塔中的喷淋装置不断向泵入的空气喷洒烧碱（氢氧化钠）溶液的液滴，它能吸收二氧化碳气体。发生反应后，将产生碳酸钠溶液。通过加入熟石灰（氢氧化钙），氢氧化钠可以被置换出来再次利用。但是这一方案需要在世界各地安装数百万个高塔，每一个直径都需数百米，高度也超过100米。每吸收一吨二氧化碳，需要花费将近100美元，比目前电厂用烟囱搜集二氧化碳每吨的成本高出60美元。

美国哥伦比亚大学的克劳斯·莱克纳教授开发了出一种薄膜滤气机，也是一个塔状装置，其主体是安装在一些金属板上的离子交换薄膜。被吸入的二氧化碳含量高的空气通过滤气机中的二氧化碳收集器时，离子交换膜捕捉到空气中的部分二氧化碳分子，并将其吸附在薄膜上，同时排出净化后的二氧化碳含量低的空气。然后，通过改变滤气机内空气湿度，滤气机将二氧化碳从薄膜上分离下来，然后進入二氧化碳再生器。但这种机器造价太高，在吸收温室气体的同时也将消耗大量能源。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员奥马尔·亚赫吉等人研制出一种神奇的纳米晶体，它们能够“捕获”体积是自身大约80倍的二氧化碳。这种纳米晶体只吸收二氧化碳分子，并把它们压缩在晶体内，而将其他气体分子“拒之门外”。美国加州大学洛杉矶分校的科研人员利用化学合成法，研制出了新一代沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIFs），这种材料能有效吸附工厂烟囱和汽车排气管排出的二氧化碳。

法国国家科研中心的科学家研制出一种名为MIL-101的新型材料，能够大量吸附二氧化碳气体，这种材料有望提升对抗全球变暖的能力。来自巴黎的Influx设计室正在设计一种用以吸收二氧化碳的新型仿生树，该方案可以被定义为一种仿生二氧化碳吸收器。该装置将为去除城市环境污染创建一种全新模式，它们可以与自然树木共同作用，提升二氧化碳吸收量。

（二）国内研究现状

与国际较为先进的二氧化碳捕集技术相比，我国还处于较为落后的阶段。针对空气中二氧化碳的吸收技术暂未查到。

三、论文研究内容

（一）空气中二氧化碳吸收技术研究

采用各种物理化学方法，找出对空气中二氧化碳吸附性能好的材料：氢氧化钠、氧化钙、薄膜等，制定适合吸收空气中二氧化碳的最佳方案。

（二）采取的方案

1.物理吸收：包括PSA法和TSA法。

PSA法是利用吸收量随压力变化而使CO2分离的变压吸附法，其中包含加压水洗法；TSA法是利用吸收量随温度变化而使气体分离的变温吸附法。二者又合称法。因误差较大，现已经不采用。

2.膜吸收法

包括气体分离膜技术和气体吸收膜技术。气体分离膜技术是基于气体在膜中溶解和扩散而实现的，分离过程的动力是两侧气体分压力差，但效果不佳，耗能过大。气体吸收膜技术是综合了膜分离技术和胺液吸收技术的膜分离技术。此法效果较好但成本较高。

3.空气分离/排气循环法

又称O2/ CO2燃烧法。该法用从空气分离获得的O2和一部分锅炉排气循环气构成的混合天然气体，代替空气作为燃料燃烧时的氧化剂，以提高燃料排气时CO2的浓度。该法节约能耗，但吸收效果一般。

4.化学吸收法

化学吸收法是利用二氧化碳和吸收液之间的化学反应将二氧化碳从排气中分离出来的方法。方法一是热钾碱法：此法包括一个在加压下的吸收阶段和一个常压下的再生阶段，吸收温度等于或接近于再生温度。采用冷的支路，特别具有支路的两段再生流程可以得到高的再生效率，从而使净化尾气中的CO2分压很低。方法二是苯菲尔法：是在热钾碱法的基础上发展起来的，用此法可以有效地把CO2脱除到1%～2%。“改良苯菲尔法”是在碳酸钾溶液中加入活化剂，以提高CO2的吸收速率，并降低溶液表面CO2的平衡能力。方法三是有机胺吸收法：是以氨类化合物吸收CO2的方法，相对来说具有吸收量大、吸收效果好、成本低、洗涤剂可循环使用并能回收到高纯产品的特点。

（三）采取的技术路线

空气中二氧化碳吸收装置的设计可以参考图1所示的技术路线。

四、结论

几种方法的吸收材料均可重复利用，同时可将装置可安装在公共场所等任何地方，并且可以利用太阳能光伏发电为装置提供动力。根据二氧化碳吸附原理设计空气中二氧化碳的吸收装置，建议将太阳能光伏发电系统有效地融合到装置中，为装置提供动力能源，这样吸收装置就可以安装在任何想装的地方，实现减少空气中多余的二氧化碳这一目标。将吸收的二氧化碳采用合适的技术从吸附材料中分离出来，实现二氧化碳吸附材料的重复利用，纯净的二氧化碳可供工农业使用。

参考文献

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[2] 唐忠利，赵行健，等.规整填料塔中氨水吸收CO2的体积总传质系数[J].化工学报，2012（04）.

[3] 赵毅，张自丽.电厂二氧化碳捕集研究现状及展望[J].工业安全与环保2012（06）.

作者简介：孙静（1997—），女，汉族，西京学院自动化2015级学生，研究方向：检测技术；赵冲（1976—），女，汉族，陕西西安人，硕士，讲师，西京学院理学院测控技术与仪器团队，研究方向：检测技术；武帅（1996—），男，西京学院自动化2015级学生；吕可（1997—），男，西京学院自动化2015级学生；刘瑞（1997—），女，西京学院自动化2015级学生。