空气二氧化碳直接捕集技术，英文为“Direct Air Capture”，简称“DAC”。由于二氧化碳的来源不同，在二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）的技术领域，有两种路径：即二氧化碳捕集与封存（CCS）和空气直接捕集（DAC）技术。

    二氧化碳捕集与封存（CCS）技术是从工业废气中捕集二氧化碳，目前技术比较成熟；空气直接捕集（DAC）技术是在自然空气中直接捕集二氧化碳，是新兴的一项碳捕集技术。

空气直接捕集（DAC）技术示意图

    空气直接捕集（DAC）技术介绍

    空气直接捕集二氧化碳技术，分为吸附剂吸附法、溶剂吸收法、电化学法、膜分离法几种。

    以上图所示，它们的优缺点对比

    吸附剂吸附法：解吸附困难，灵活性强，相关工艺成熟；

    溶剂吸收法：溶剂消耗大，整体能耗高，产品纯度高；

    电化学法：成本高，安全性好，可利用可再生电力；

    膜分离法：选择性低，产品纯度低，占地面积小。

    吸附剂吸附法

基于气体分子与吸附剂表面相互作用实现选择性吸附

DAC常用的吸附剂

    空气二氧化碳直接捕集（DAC）技术常用的吸附剂有金属有机框架、沸石分子筛、胺功能化MOF、胺功能化二氧化硅（SiO₂）、多孔有机聚合物、金属氧化物、介孔硅、纳米纤维等。

DAC吸附剂分类

    空气二氧化碳直接捕集（DAC）技术吸附剂可分为物理吸附剂和化学吸附剂两大类。其中物理吸附剂包括沸石分子筛、MOFs等；化学吸附剂包括胺功能化吸附剂等。

    DAC吸附剂吸附法的核心在于吸附剂和吸附工艺的选择：

吸附剂的选择性

吸附剂循环工作容量

    物理吸附：沸石分子筛吸附

尺寸筛分效应

作用力差异效应

扩散速度差异效应

Trapdoor（合页门）效应

    物理吸附剂

低压下二氧化碳吸附容量对比

    物理吸附剂：二氧化碳（CO₂）与水（H₂O）的竞争吸附

    随着水量增加，吸附量会降低，再生困难。

    应对措施：利用干燥剂和吸附剂构成双系统，或利用疏水材料对吸附剂进行封装。

    本系统可以在温度100℃下完成再生；在30℃下模拟空气相对湿度为48%的条件下，在两台工作装置上陆续运行。

利用疏水材料对吸附剂进行封装

    吸附剂循环稳定性

    目前，报道DAC循环稳定性研究主要集中于30周期内。

LiX分子筛

Lewatit VP OC 1065

    化学吸附：固体胺吸附剂

    耐水性好，水可以参与二氧化碳吸附。

    优点：选择性好、吸附量大（25℃时＞1mmol/g）；

    缺点：高温稳定性差。

化学吸附反应示意图

物理浸渍

化学接枝

    溶剂（溶液）吸收法

溶剂（溶液）吸收法原理

    空气二氧化碳直接捕集（DAC）国际示范项目

    Carbon Collect公司：Mechanical Tree（机械树）

    第一步：吸附

    ”机械树“立柱垂直延伸超过10米高，装填吸附剂捕集二氧化碳。

    第二步：降低再生

    ”机械树“立柱被放入再生室。

    第三步：再生过程

    发生再生以释放捕集的二氧化碳，排放的物质从再生室排出并被处理，最后生成纯度大于95%~99.9%的二氧化碳。

    第四步：恢复高度

    机械树再次延伸到全高，并重复以上过程。

    移动源DAC捕获

移动源DAC捕获

    DAC系统可以安装在列车上，利用再生制动系统能量捕集自然环境空气中的二氧化碳。

    DAC大型商业化项目示例

    ·100万吨二氧化碳/年；

    ·溶剂吸收法；

    ·水分大量蒸发；

    ·建在河流、湖泊旁边。

    ·4000吨二氧化碳/年；

    ·固体吸附法：胺功能化固体吸附剂，TVSA工艺；

    ·捕获的二氧化碳通过自然矿化过程安全地从空气中移除并永久储存。

    应用前景

    空气中二氧化碳捕集技术在成功与应用端耦合的情况下具有广阔的应用前景；

    物理吸附剂、化学吸附剂均可以实现高纯度二氧化碳的制备；

    研发耐水、耐尘、高稳定性的吸附剂至关重要；

    开发与吸附材料相匹配的循环工艺可以起到事半功倍的效果；

    充分挖掘各浓度二氧化碳的应用场景有望拉动分子筛消费、助力碳中和。

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