碳捕集技术，是接下来近40年的热点领域，除了传统工艺之外，也会不断涌现出新的工艺，今天主要介绍两大传统工艺（MDEA湿法脱碳和VPSA真空变压吸附）之一的VPSA技术。

知识点：

1. MDEA湿法脱碳（MDEA wet decarbonization technology）：选用MDEA溶液（及添加剂）对原料气中的二氧化碳进行吸收，在高压低温下吸收，然后在低压高温下再生，得到纯度99%以上的二氧化碳；特点是：能耗高、投资大，但是二氧化碳去除率高；
2. VPSA变压吸附技术（Carbon dioxide capture and utilization by VPSA，vacuum Pressure Swing Adsorption）：选用多台吸附塔（内部装填吸附剂，如活性炭、分子筛等），在高压常温下对原料气中的二氧化碳进行吸附，再通过低压（抽真空）的形式，将吸附的二氧化碳解吸出来：特点是：能耗低，投资小，但是二氧化碳去处理低。
3. 等温吸附曲线（Adsorption Isotherm）是指在恒定温度下，吸附剂对气体或溶液中吸附质的吸附量随压力（或浓度）变化的关系曲线。它直观反映了吸附平衡时吸附质在两相（如固-气或固-液界面）中的分布规律，是研究吸附机理、材料表面性质及孔结构的关键工具。

1. 背景

二氧化碳（CO₂）排放导致全球变暖效应，这是威胁地球宜居性的最紧迫问题之一。尽管政府法规和协议已限制排放量，但当前排放率仍居高不下，CO₂的累积已引发全球气候变化。为遏制温室气体（greenhouse gas，GHG）排放增加导致的气候进一步恶化，国际社会持续努力。政府间气候变化专门委员会（International Panel of Climate Change，IPCC）预测：到2100年，大气中CO₂浓度将达570 ppmv，海平面上升3.8米，全球平均气温升高2℃。持续的GHG排放将加剧气候系统各组成部分的长期变化，增加对人类和生态系统造成严重、普遍且不可逆转影响的风险。

2015年12月，《巴黎协定》在联合国气候变化框架公约（UNFCCC）下由195个缔约方签署，中美两国政府做出历史性参与。该协定旨在将本世纪全球温升控制在工业化前水平2℃以内，并努力限制在1.5℃内。欧盟（EU）承诺到2030年实现较1990年至少减排40%、2050年至少减排80%的全经济领域目标，为全球控温（远低于2℃）做出贡献。中国也承诺2030年碳达峰，2060年碳中和。

2. 碳捕集技术分类

碳捕集概念分三大类，分别是燃烧前捕集、富氧燃烧、燃烧后捕集，如下图所示：

1. 燃烧前捕集：比如，将煤气化成合成气，然后分离二氧化碳，净化后的气体，如氢气去做燃料，这样燃烧结果就只有水，没有二氧化碳；在前端就分离出去二氧化碳；不让煤直接和空气燃烧产生大量二氧化碳；
2. 富氧燃烧，字面意思，采用富氧燃烧＋烟气循环，提高热转化效率，减少碳排放；
3. 燃烧后碳捕集，也就是我们目前比较常见的碳捕集技术，不管是湿法还是干法，都是基于此。燃烧后的烟气中含有大量二氧化碳，对此进行捕集。

3. 真空变压吸附技术

顾名思义，选用吸附的方式进行碳捕集，一般选择多台吸附塔，内部装填完全一样的吸附剂，如活性炭、分子筛等，具体吸附剂配比受吸附压力和原料气中的气体组分定。 一般需要对烟气继续预处理，如增压、去除原料中的氮氧化物、颗粒物等等，最后预处理之后的气体组分主要是二氧化碳、氮气、氧气等洁净气体，再进行增压，一般吸附压力高，有利于吸附，如压力＞0.1MPaG，吸附塔吸附饱和后，需要切换到其他吸附塔进行工作，这样多态吸附塔连续工作；https://wxa.wxs.qq.com/tmpl/lw/base_tmpl.html

吸附饱和之后的吸附塔，通过减压、抽真空，将吸附的二氧化碳再生出来，这样就能很好的进行二氧化碳收集了，下游再去进行利用，如加压、液化或者食品级二氧化碳等等。

（From Allison） 

针对烟道气和烟气的CO₂富集，VPSA（真空变压吸附技术）被公认为更经济的CO₂捕集方案

4. 吸附剂

吸附剂决定了VPSA技术的整体CO₂捕集性能。化石燃料尾气中CO₂浓度较低（15-16%）而N₂含量高（73-77%），因此对CO₂的高选择性至关重要。

适用于碳捕集的材料必须考虑气体分子尺寸及其电子行为特性。由于气体分子的动力学直径差异微小（CO₂: 3.30 Å, N₂: 3.64 Å），仅靠分子尺寸难以实现CO₂分离。而四极矩和极化率等电子特性因气体间显著差异成为关键分离依据。

理想燃烧后烟气CO₂捕集吸附剂应具备：

1. 对CO₂的高选择性（优于其他烟气组分）
2. 高重量/体积CO₂吸附容量
3. 再生能耗最低化
4. 操作条件下的长期稳定性
5. 气体在材料中的快速扩散能力

吸附过程依赖高孔隙率有机或无机材料，包括商用产品或材料科学研发中的新型材料。已开发的CO₂捕集吸附剂包括：

• 活性炭（ACs）
• 沸石分子筛
• 金属有机框架（MOFs）
• 硅胶/多孔聚合物

不同吸附剂特性（比表面积、微孔容积等）使其适用于不同工况。吸附剂选择对装置效能至关重要，其性质是决定特定循环构型性能的核心因素。当前工业实践中，碳分子筛（CMS）和沸石分子筛是主流选择，MOFs和胺功能化材料虽具潜力但仍处研发阶段。MOFs需在化学/热稳定性及大规模制备工艺方面突破，而沸石这些特性已成熟。

沸石和MOFs等吸附剂的孔结构由分子尺度均匀通道规则排列构成，可实现尺寸选择性（分子筛）分离。 尺寸排阻原理直接：过大分子无法进入孔道被排除，理论上可实现高选择性分离。此时临界分子直径（分子平衡构象最小外接圆柱直径）是衡量分子尺寸的最适标准。

（二氧化碳在活性炭吸附剂上的不同温度下的等温吸附曲线）

5. 结论

1. 常规说的碳捕集一般集中在燃烧后碳捕集，燃烧后碳捕集技术分很多种，吸附和吸收只是其中2种；其他技术如微藻生物固碳、低温深冷、膜分离等技术，后续陆续介绍。
2. VPSA碳捕集的吸附剂主要还是以沸石、活性炭、CMS等可批量采购的商用材料为主，尽管新型吸附剂研究激增，但仅有极少数能进入中试验证阶段，主因是大规模生产可行性不足——这在初期材料研究中常被忽视。
3. 吸附剂对温度比较敏感，沸石吸附剂（如13X）的CO₂吸附容量随温度升高指数级下降（10℃→50℃时吸附量降低40-60%），温度>50℃将显著缩短吸附床穿透时间。
4. 真空变压吸附比较有竞争力的数据是单位能耗，因为VPSA只有真空泵耗电，所以国际上比较先进的技术是电耗≤1.48 kWh/kg-CO。