快節奏的工業化進程伴隨著化石燃料的肆意燃燒，導致過去兩個世紀溫室氣體的過度排放，導致今天的全球變暖。根據美國環境保護署 (USEPA) 的數據，僅在 2017 年，美國的溫室氣體總排放量就相當于 64.57 億公噸二氧化碳 (CO 2 )，如圖 1 所示。根據政府間組織氣候變化專門委員會 (IPCC) 指出，到 2050 年，此類排放量必須減少 50% 至 80%。

圖 1. 2019 年溫室氣體排放概覽

碳排放可以通過使用碳捕獲和儲存 (CCS) 技術來控制，該技術涉及捕獲和運輸 CO 2，并將其安全地儲存在枯竭的油氣田或深層鹽水層的地下。根據美國航運局 (ABS) 的說法，碳捕獲利用和儲存 (CCUS) 是一種過程，其中 CO 2可以被捕獲、清潔、脫水、液化、運輸和儲存在最終地點或被利用。捕集技術選擇性地從燃料燃燒前（燃燒前）或從燃料燃燒后的煙氣中（燃燒后）或從富氧燃燒系統中提取 CO 2氣體，并將其儲存在地下用于工業、農業或能源生產中的再利用。為了在運輸前將 CO 2從燃料/煙道氣流中分離出來，采用了多種技術，例如使用單乙醇胺 (MEA)、二乙醇胺 (DEA) 和碳酸鉀進行吸收，在分子篩、活性炭、沸石、鈣上進行吸附氧化物、水滑石和鋯酸鋰、化學循環燃燒、膜分離、基于水合物的分離和低溫蒸餾已經被探索。近日，美國能源部化石能源辦公室宣布撥款1.31億美元用于CCUS項目的研發。

碳捕獲與封存 (CCS) 與碳捕獲與利用 (CCU)

CCS 是捕獲化石燃料燃燒產生的近 90% 的 CO 2用于發電或工業過程，然后通過管道或船舶將其運輸到地表以下幾公里處進行安全和永久儲存的過程。CCU 與 CCS 的不同之處在于，在 CCU 中，捕獲的 CO 2不是永久性地質封存，而是轉化為有價值的商業產品，從塑料和混凝土到各種化學合成的反應物。提高石油采收率 (EOR) 等CO 2利用技術已經成功商業化，其他技術正處于不同的開發階段。

圖 2. 捕獲的 CO2 的封存和利用之間的比較（來源）

捕獲的碳的利用

如圖 3 所示，捕獲的碳的主要用途已在強化油氣回收、化學轉化、發電和海水淡化中得到證實。

圖 3. 各種碳利用途徑

提高石油采收率（EOR）：基于CO 2的EOR于20世紀70年代初在美國首次應用，預計未來EOR將使石油采收率從大約30%提高到60%。

圖 4. CO 2提高石油采收率

注氣具有降低油粘度和增加油藏壓力等優點，這有利于石油生產。截至 2019 年，亞太地區約有 30 個 EOR 項目，其中中國在化學品注入領域處于領先地位，預計到 2022 年將減少原油進口。西方石油公司總裁兼首席執行官 Vicki Hollub 最近勸說大銀行對 EOR 技術進行更多投資。阿布扎比國家石油公司聯合日本最大的上游公司Inpex、最大的發電公司JERA和日本石油、天然氣和金屬國家公司，計劃探索生產NH 3的可行性減少了源自天然氣的 H 2的碳足跡。生產 NH 3排放的大部分 CO 2將被封存并用于阿布扎比陸上油田的 EOR 作業。日本電力生產商 J-Power 和美國石油服務提供商斯倫貝謝計劃聯合改進 EOR 技術，利用其聯合煤氣化過程中產生的 CO 2 ，目標是在 2030 年之前將發電廠的 CO 2 減少20 % 并實現凈零排放到 2050 年的排放量。挪威耗資 17 億歐元的名為“Project Longship”的項目旨在封存 12.5 億噸 CO 2并將其掩埋在北海之下。在一家合資企業中，韓國現代石油銀行公司與沙特阿美公司簽署了一項協議，它將從沙特阿美公司獲取液化石油氣貨物并將其轉化為氫氣 (H 2 )，并將副產品CO 2氣體送出向沙特提供制氫工藝，用于從地下抽取更多石油。在 EOR中利用捕獲的 CO 2取得成功后，該領域的投資正在增加。美國石油生產商 Denbury 和經營管道和碼頭的能源基礎設施公司 Kinder Morgan 都投資了 CCUS；而據報道，EnLink Midstream (ENLC) 等新參與者正在進入該市場. Gas Liquids Engineering Ltd 等一些公司也提出了新的碳捕集工程工藝用于 EOR。

CO 2的化學轉化：研究表明，在礦物碳酸化中使用 CO 2可以將全球變暖潛能值 (GWP) 降低 4–48%。與傳統工藝相比，使用 CO 2生產碳酸二甲酯 (DMC) 可將 GWP 降低 4.3 倍，將臭氧層消耗降低 13 倍。受到將煙道氣 CO 2轉化為碳酸鹽基建筑骨料的成本效益的鼓舞，雪佛龍計劃投資 Blue Planet Systems Corporation，這是一家利用隔離的 CO 2生產粗細碳酸鹽骨料的初創公司。據預測，CO 2到 2040 年，通過生產可與水泥混合或直接注入濕混凝土進行養護的骨料在建筑材料中的利用將達到總市場價值的 86%。Carbon8 Systems 是一家總部位于英國的公司，即將在荷蘭開展其第一個廢物能源 (EfW) 試點項目，該項目將通過將工業廢渣與捕獲的 CO 2排放相結合，生產適用于混凝土應用的高價值、輕質建筑骨料. Carbon8 Systems 是南威爾士工業集群 (SWIC) 的一部分；這是工業界、能源供應商、基礎設施供應商、學術界、法律部門、服務供應商和公共部門組織之間的伙伴關系；并已從 UKRI（英國研究與創新）工業脫碳計劃中獲得 150 萬英鎊，用于規劃支持南威爾士到 2050 年成為凈零碳地區所需的條件。澳大利亞的礦物碳化國際 (MCi) 計劃通過將 CO 2轉化為建筑材料和其他具有附加值的工業產品，到2040 年鎖定 10 億噸 CO 2 。當溶解CO 2與巖石中的礦物質發生反應，生成長期穩定的碳酸鹽，因此適合建筑。MCi 在澳大利亞紐卡斯爾的試驗工廠每天都在使用這項技術建造水泥磚和石膏板。托木斯克理工大學 (TPU) 的科學家與捷克共和國的科學家合作，嘗試從大氣中的 CO 2合成環狀碳酸鹽，其中研究人員可以在陽光的幫助下在室溫下生產碳酸鹽，用作電解質鋰離子電池，以及用于藥物制造的綠色溶劑。鋼鐵行業是最大的 CO 2生產商之一結果發現，2018年每生產一噸鋼平均排放1.85噸CO 2，相當于全球CO 2排放量的8%左右。鋼鐵行業在全球范圍內面臨脫碳挑戰，尤其是在歐洲。“轉爐（BOF）-萊茵薩爾賀利氏（RH）煉鋼工藝”排放的CO 2循環利用可減少粉塵產生和終點氮含量，提高脫磷率和去除夾雜物，從而有利于脫氫過程 . 意大利石油和天然氣公司 Eni 嘗試使用 CO 2生產聚合物，尤其是聚碳酸酯作為反應物或將其轉化為甲烷用于化學工業作為中間體或直接作為燃料。為了減少 CO 2的排放，伊利諾伊大學芝加哥分校 (UIC) 開發了一種利用捕獲的 CO 2生產乙烯的技術，用于制造聚乙烯，美洲最大的聚烯烴生產商 Braskem 將協助擴大規模向上。韓國科學技術研究院 (KIST) 清潔能源研究中心的 Yun-Jeong Hwang 博士及其團隊介紹了通過電化學方法將 CO 2還原為乙烯。利用紅外光譜，從 CO 2合成了乙烯中間體 (OCCO)在銅基催化劑的表面，導致甲烷和乙烯的產生，如圖 5 所示。

圖 5. 電化學碳過程中催化表面的實時分析

CO 2向甲酸的轉化已經通過酶法完成，通過使用大腸桿菌產生的甲酸氫裂解酶 (FHL) 酶，或通過使用日本研究人員開發的有機催化劑。甲酸是各種化學品的合成原料，也用作燃料電池中的 H 2載體。印度塔塔基礎研究所 (TIFR) 的研究人員透露，鎂 (Mg) 可用于將 CO 2轉化為甲烷、甲醇和甲酸。在這種情況下，CO 2在 Mg 存在的情況下在室溫和大氣壓力下與水反應. 日本住友化學與島根大學開展了一項聯合研究項目，通過將丙烷脫氫 (PDH) 技術與另一種使用 H 2和 CO 2高效合成甲醇的技術相結合來合成甲醇。由于該合成過程需要 H 2，它是 PDH 技術的副產品，該公司正在考慮這兩種技術的可能應用，其中 H 2和 CO 2都可以得到有效利用，如圖 6 所示。

圖 6. 從 CO2 合成甲醇（來源）

瑞士公司 Proman 最近與國際能源公司 Global Energy Group 簽署了一項協議，將在北海的 Nigg 石油碼頭開發綠色甲醇生產廠。兩家公司將從當地工業中獲取 CO 2，為工業規模的綠色甲醇工廠提供動力。

CO 2在電氣和電子領域的利用：已開發出一種由鎵合金和鈰組成的液態金屬催化劑，可將 CO 2轉化為固體碳/煤薄片，可將其掩埋或用于電子元件 . 發電和 H 2的產生是通過利用 CO 2在含水鋅-鋁-CO 2系統中自發溶解形成的酸度實現的。韓國蔚山國家科學技術研究院 (UNIST) 的研究人員已成功完成CO 2封存。研究團隊設計了一種無膜（MF）Mg-CO 2電池，作為一種先進的方法來隔離 CO 2排放，用于發電和合成沒有任何有害副產品的增值化學品。還發現新電池具有 92% 的高法拉第效率。麻省理工學院的研究人員正致力于CO 2 的電化學轉化和鋰-CO 2電池的開發。通過開發一種新型電解質，將胺與鋰鹽和 CO 2一起摻入基于 DMSO 的電解質中，從而生產出具有顯著放電電壓的超高容量電池. 西北大學的研究人員還嘗試開發一種方法，通過使用 CO 2捕獲固體氧化物燃料電池，船舶和貨物等遠程車輛可以在船上儲存濃縮的 CO 2 ，濃縮的 CO 2可以被隔離并回收成可再生能源碳氫化合物燃料。

藻類培育：利用從燃煤電廠捕獲的CO 2培育藻類、通過溶劑萃取工藝提取藻油用于制藥行業以及將殘油轉化為生物柴油的前景已被研究。記住這一點，美國能源部 (DOE) 化石能源辦公室 (FE) 最近宣布提供 800 萬美元的聯邦資金，用于通過藻類系統利用電力系統或其他工業來源的CO 2來創造有價值的產品和服務. 盡管殼牌、雪佛龍和埃克森美孚最初開始研究藻類生物燃料，但考慮到其作為可再生能源的光明前景，雪佛龍和殼牌后來因生產成本較高而退出。目前，只有埃克森美孚在積極追求其藻類生物燃料的夢想。

制造燃料和其他添加劑：集成 CO 2捕獲的氣體轉換重整 (GSR) 已設計用于純 H 2和合成氣生產。太陽能可以將CO 2轉化為可用作燃料的化學物質。在瑞典林雪平大學的這項技術中，覆蓋有一層石墨烯的光電極捕獲太陽能并產生電荷載體，可以將 CO 2和水轉化為甲烷、一氧化碳和甲酸。目前，CO 2轉化為燃料，大部分需要H 2，這是昂貴且高度耗能的。科學家們正在嘗試開發從 CO 2中開發化學品的替代途徑。一個這樣的例子是乙酰丙酸乙酯，一種替代生物燃料和生物燃料添加劑，它是通過 CO 2與 1, 4 丁二醇的反應生產的。

電解和海水淡化：伊利諾伊大學的化學工程師開發了一種新的電解技術，其中 CO 2氣流穿過電解槽并分解成乙烯等分子。該過程將變廢為寶過程的能耗降低了 53% 。另一種方法是開發離子交換脫鹽 (HAIX-Desal) 工藝，其中 10 個大氣壓下的 CO 2作為能量和化學再生劑的唯一來源，如圖 7 所示。脫鹽工藝不需要任何半透膜，可以脫鹽貧苦咸水 (TDS ≤ 1500 mg/L) .

圖 7. 使用加壓 CO 2 的混合離子交換脫鹽 (HIX-Desal) 

捕獲的 CO 2的另一種用途是當 CO 2與脫鹽后的濃縮鹽水廢物反應時生產化學品，例如 NaHCO 3 。這是減少因將濃縮鹽水排入地表水體而造成的環境污染的可行方法，特別是在依賴飲用水脫鹽的地方，如圖 8 所示。

圖 8. 二氧化碳利用與脫鹽廢水相結合

盡管關于捕獲碳的最佳可能利用方式的研究正在進行中，但 CCU 仍被認為是一個探索不足的領域。捕獲和利用步驟產生的成本仍然很高。

碳捕獲和利用的商業化

(1)沙特阿美公司2019 年，沙特阿美開發了 Converge Polyol 技術來生產高性能多元醇，其中廢 CO 2與碳氫化合物原料相結合。環氧丙烷在專有催化劑存在的情況下聚合，生成 100% 聚碳酸亞丙酯 (PPC)，并且發現所得多元醇具有完美的重復單元。Converge 多元醇技術的應用包括涂料、粘合劑、密封劑和彈性體。Converge 多元醇提高涂層的耐磨性和耐環境性，提高粘合劑的粘合強度，添加到彈性體中時增強拉伸和撕裂性能，在電子和陶瓷工業中產生無毒副產品，并提高復合材料的耐久性和抗壓強度。

（2）海德堡海德堡水泥與澳大利亞技術公司 Calix 和歐洲財團合作，計劃在漢諾威水泥廠擴展其 LEILAC 1（低排放強度石灰和水泥）技術，命名為 LEILAC 2，用于碳捕獲， 德國。該項目基于 Calix 的“分解爐技術”，預計耗資 2500 萬歐元（3420 萬美元）。目標是捕獲水泥廠產能的 20%，即每年捕獲 100,000 噸 CO 2。該項目預計將于 2025 年投入運營。

（3）樂天韓國樂天化學已開始使用CCU技術將CO 2轉化為聚碳酸酯，聚碳酸酯是生產干冰和半導體清洗液的原料。該公司使用 Airrane 的氣體分離膜，這是一種非常細的中空纖維，不同的氣體混合物通過這種膜進入稱為選擇性滲透的過程。它是由各種類型的聚合物制成的非對稱過濾器。Lotte Chemical 的目標是通過擴建相關設施每年利用超過 200,000 噸 CO 2 。

（4）Pi?on Midstream 已啟動其綠地黑馬酸性氣體處理和碳捕集設施，該設施帶有酸性氣體封存井，可從進入的天然氣流中去除 CO 2和硫化氫 (H 2 S)。新墨西哥州利縣的管道建設正在進行中。該項目每天可處理多達 4 億立方英尺的酸性氣體。

（5）埃克森美孚埃克森美孚計劃在 2025 年之前進一步投資 30 億美元用于其一些新的碳捕集項目或現有 CCS 項目的擴展。其中一些項目包括在新加坡安裝 CCS 中心、擴建其 La Barge CCS 設施在懷俄明州，就 Porthos（鹿特丹港 CO 2運輸樞紐）的一個聯合項目達成協議，該項目用于捕獲工業 CO 2并將其運輸到北海海上氣田等。

合作

Advantage Oil & Gas Ltd. 和 Allardyce Bower Consulting Ltd. 最近開發了 CCS 技術，能夠將碳的商業價格保持在 50 美元/噸以下。這種模塊化碳捕獲和儲存 (MCCS) 技術可以針對大多數點源工業排放進行改造，包括發電、藍氫、液化天然氣、石油和天然氣加工以及水泥和鋼鐵制造等難以脫碳的行業。模塊化技術用途極為廣泛，適用于小至 8,000 噸 CO2/年的項目，允許以輕松的融資增量實現脫碳。大型項目的可擴展性沒有上限。MCCS 回收了大約 90% 的碳排放。該技術的首次演示將在艾伯塔省大草原附近的 Advantage 冰川天然氣廠進行，.

在第六屆中國國際二氧化碳捕集利用與封存大會上，中國華能集團清潔能源研究院與嘉能可碳捕集運輸與封存公司就CCUS技術簽署了諒解備忘錄。通過澳大利亞Millmerran電站的CTSCo項目，將實施合作。

為了在美國墨西哥灣沿岸將碳用于混凝土生產，CarbonCure Technologies Inc. 宣布與 Airgas 合作，Airgas 是一家 Air Liquide 公司。在 CarbonCure 的技術中，當 CO2 礦化時，將 CO2 從工業排放者的煉油廠注入混凝土中，從而提高混凝土的強度。Airgas 將向混凝土生產商供應 CO2，并通過減少大氣中的 CO2 排放來保護環境。

雪佛龍投資了 Blue Planet Systems，這是一家利用捕獲的 CO 2制造碳酸鹽基建筑骨料的初創公司，其目標是減少工業運營的碳影響。Blue Planet 使用直接空氣捕獲 (DAC) 技術來濃縮和去除空氣中的 CO 2。然后，該公司通過化學反應將 CO 2 轉化為石灰石，石灰石是混凝土的基石。隨后，Blue Planet 出售用于混凝土混合物的骨料，用于許多項目。其中一個項目是舊金山國際機場臨時登機區 B。Blue Planet Systems 還與 Sulzer Chemtech 合作開展了該項目。

Carbon Free 是一家專門從事 SkyCycle 技術的公司，在該技術中，使用鈣鹽和鎂鹽將碳礦化以生產沉淀碳酸鈣和合成石灰石，該公司與 Tetra Technologies Inc. 簽署了一份諒解備忘錄，計劃利用彼此的技術專長，化學知識和生產設施共同促進 SkyCycle? 的商業化

啟動活動

（1）氣候工程Climeworks 是一家專門從事 CO 2捕獲技術的瑞士公司。Climework 的機器由模塊化 CO2 收集器組成，這些收集器可以堆疊以構建任何尺寸的機器。這些機器完全由可再生能源或廢物能源提供動力。首先，用風扇將空氣吸入收集器。CO2 被捕獲在位于收集器內部的高選擇性過濾材料的表面上。一旦過濾材料充滿二氧化碳，收集器就會關閉。然后將溫度升高到 80 到 100°C 以釋放 CO2。最后，收集高純度、高濃度的二氧化碳。過濾器可重復使用多次，可持續使用數千次。

（2）Solidia 是一家水泥和混凝土公司，擁有使用 CO 2代替水的混凝土養護技術。CO 2與水泥反應生成碳酸鈣和二氧化硅，使結構硬化形成混凝土。Solidia 的技術被發現可以有效地從大氣中去除 1.5 吉噸的 CO 2 ；這節省了 3 萬億升淡水，減少了 2.6 億桶油的能源消耗，并減少了 1 億噸混凝土垃圾填埋場。

（3）LanzaTech 的碳回收技術有助于從工業廢氣、合成氣、重整沼氣等中的 CO2 中制造新產品。Lanzatech 希望從一家鋼鐵廠的排放物中制造航空燃料以及合成纖維、塑料和塑料等化學品。飛機機身和機艙所需的稱為 CarbonSmart? 產品的橡膠。該公司已經能夠使用兔腸細菌從工廠的廢氣中生產乙醇。定制的梭菌微生物將捕獲一氧化碳，將其轉化為可用于驅動汽車和飛機的乙醇。最近，與能源部的阿貢國家實驗室 (ANL) 合作，LanzaTech 被選中建造和運營一個預試驗設施，以生產可持續航空燃料 (SAF).

圖 9. LanzaTech 在回收碳廢物方面的創新

Lectrolyst 的目標是轉換 CO 2并制造有價值的化學品和燃料。在串聯電化學反應器的幫助下，科學家們進行了 CO 2轉化的兩步過程，如圖 10 所示。

圖 10. 溫室氣體轉化為產品（Lectrolyst）

CO 2電還原過程分為多個單獨的過程，以提高對更復雜的高價值產品的選擇性。

最近的專利申請

LanzaTech 的專利EP3058080B1標題為“氣體發酵中的碳捕獲過程”，該專利公開了在由一氧化碳營養型自產乙醇梭菌或榮氏梭菌組成的細菌培養物存在的情況下，包含 CO、H 2和 CO 2的氣態底物被發酵，部分 CO 2轉化為產品如乙醇、乙酸或乙酸鹽、2,3-丁二醇、丁醇、異丙醇、乳酸鹽、琥珀酸鹽、甲基 乙基酮（MEK）等。

Saudi Aramco基于膜的 CO 2捕獲和利用方法已在US20170191173A1中公開。已開發出一種裝置，包括陽極室和陰極室，由陽離子交換膜隔開；向陽極室供給含有堿金屬鹽或堿土金屬鹽的水溶液；陰極室中的CO 2和捕集溶液如NH 3溶液；施加2V至10V的電壓，使陽離子從含有堿金屬或堿土金屬鹽的水溶液中分離出來，并通過陽離子交換膜向陰極室移動，從而形成碳酸鹽。

沙特阿拉伯石油公司的專利US20190168417A1描述了一種車輛，包括混凝土攪拌車和混凝土攪拌車上的車輛尾氣收集系統。混凝土攪拌車中的攪拌罐內裝有未固化的膠凝材料，與混凝土攪拌車排放的一部分CO 2混合，將未固化的膠凝材料碳化為CaCO 3。汽車尾氣捕集系統采用胺類、碳酸鹽、氨、氫氧化物、活性炭、沸石、金屬有機骨架、介孔結構、碳捕集過濾器、纖維、微孔結構等碳捕集結構。

總結

雖然捕獲的碳僅占總排放量的 0.1%，但需要增加 100 倍才能實現 2050 年設定的全球目標。CCU 是一種更具可持續性的解決方案，其中 CO 2被回收以創造有價值的產品，例如燃料，建筑材料、增值化學品等，全球各地的公司都在進行巨額投資，以利用 CO 2制造燃料或增值化學品。正在建造緊湊型模塊化 CCU 單元，以方便運輸和簡單安裝。各國政府致力于減少全球變暖，并支持行業的舉措。雖然澳大利亞目前是 CCUS 技術的領導者，零碳或低碳建筑材料的產量最高，但其他國家也有望加入競爭。

文章來源：碳中和學習與時間