可以“捕獲”二氧化碳的高性能復合膜

王志

天津大學教授、博士生導師，北京膜學會副理事長，天津市膜科學與海水淡化技術重點實驗室主任。多年來主要圍繞水處理、海水淡化和二氧化碳減排等國家重大需求展開膜科學與技術研究，主持科研項目40余項，其中包括國家自然科學基金重點項目4項、國家海洋公益性行業科研專項1項、國家重點研發計劃項目1項;作為骨干參加“973計劃”項目、“863計劃”項目和國家重點研發計劃項目等7項。在國際著名期刊發表SCI論文近400篇，獲授權國家發明專利49項。

全球的能量供應嚴重依賴化石燃料的燃燒，然而溫室氣體的無限制排放引發的“溫室效應”導致全球變暖、海平面上升、極端天氣事件頻發等問題愈演愈烈。

我國十分重視由碳排放帶來的環境問題。十九大報告強調我國應著力構建清潔低碳、安全高效的能源體系;2020年第75屆聯合國大會期間，我國正式提出了“雙碳”戰略目標;十九屆五中全會通過的“十四五規劃”和“2035愿景”目標提出，加快推動綠色低碳發展，降低碳排放強度，支持有條件的地方率先達到碳排放峰值;2020年12月召開的中央經濟工作會議，將“雙碳”目標作為2021年要做好的八項重點任務之一，并強調應加快調整優化產業結構、能源結構，推動煤炭消費盡早達峰，大力發展新能源。

在眾多碳中和技術路徑中，有一個治理思路，因其可高效降低大氣二氧化碳濃度的前景而格外引人注意，那便是CCUS技術（二氧化碳的捕集、利用和封存）。目前我國面臨碳排放總量大、碳減排時間短、經濟轉型升級挑戰多和能源系統轉型難度大等復雜挑戰，二氧化碳的捕集利用和封存可以有效降低大氣中二氧化碳濃度，進而抑制溫室效應，對于緩解工業生產過程中溫室氣體的排放具有重要意義?？茀f頻道、《科研成果與傳播》雜志就碳捕集技術如何推進實現碳中和目標話題采訪了天津大學教授、博士生導師，北京膜學會副理事長，天津市膜科學與海水淡化技術重點實驗室主任王志。

助力碳中和，膜法碳捕集技術發展前景廣闊

碳排放的主要來源有燃煤電廠煙道排放氣、水泥行業及鋼鐵行業尾氣，這些排放量巨大的碳源可以通過吸收、吸附和膜分離法等方法進行捕集。以吸收法為代表的第一代碳捕集技術趨于成熟，分離效果較好，但是存在著溶劑再生能耗高、設備易腐蝕等問題。作為第二代碳捕集技術的代表，膜分離法可利用二氧化碳與其他氣體組分由于尺寸、冷凝性及反應性不同導致氣體分子在膜內透過速率的差異實現分離，具有能耗低、無溶劑揮發、占地面積小、放大效應不顯著、適用于各種處理規模等優點，應用前景廣闊。

膜法碳捕集技術可以高效、低成本地實現燃煤電廠煙道氣碳捕集以及煤制氫合成氣、天然氣和沼氣純化，有助于降低我國碳排放，優化能源結構，實現經濟社會的低碳發展。目前國內外僅美國Membrane Technology & Research有限公司（MTR公司）和天津大學牽頭的團隊進行了煙道氣膜法碳捕集的中試試驗乃至工業示范，有望實現大規模商業化應用。

天津大學王志教授牽頭團隊逐一突破了膜材料規?；苽?、膜規?；苽?、膜組件研制和膜分離工藝及裝置設計建造等各個環節的技術難題，基本打通了膜法捕集二氧化碳技術鏈。

先進膜材料的研發是整個技術鏈的基礎和核心。王志團隊長期致力于高性能二氧化碳分離聚合物膜材料的研發。目前，與國外MTR公司和德國亥姆霍茲研究中心研發的材料相比，王志團隊開發的聚合物膜材料富含可與二氧化碳產生可逆作用的基團，這強化了二氧化碳在膜中的傳遞，使膜具有很高的二氧化碳分離性能。

為了實現規?；茝秃夏こ∏覠o缺陷，團隊利用陰離子增稠劑、陰離子表面活性劑、陽離子聚合物之間的協同作用，實現了低濃度水基涂膜液在疏水中間層表面的良好鋪展，并通過簡單的表面交聯策略提高了膜的二氧化碳的分離效果，最終制備出了實驗室規模的高性能二氧化碳分離多層復合膜。在實驗室制膜工藝基礎上，設計制造了工業規模制膜生產線。優化涂膜液配比解決了硅橡膠中間層涂膜液過快凝膠化問題，開發了濕-干聯合涂覆工藝，并通過優化生產線運行速度、烘干溫度和分離層表面交聯劑濃度等關鍵參數，實現了具有薄且無缺陷分離層的二氧化碳分離復合膜的規?；苽?，目前生產線年生產能力為11萬米2。

推進碳中和，科技發揮核心支撐作用

膜法碳捕集技術具有巨大的應用潛力，是二氧化碳捕集封存與利用的重要組成部分，將為實現“雙碳”目標作出巨大貢獻。目前，膜法碳捕集技術已在天然氣純化領域占據10%的市場份額，并在燃煤電廠煙道氣碳捕集領域開展了工業示范研究，但尚未實現廣泛的工業應用，技術鏈條中的各個階段尚待優化和深化研究。膜法碳捕集靈活性高，可以適用于各種規模的碳捕集場合，特別是對非連續操作捕集、對占地面積要求少、對環境無污染的場合能發揮更好的作用，同時膜分離技術也容易和其他技術進行耦合來應對一些復雜的碳捕集場合。

提及下一步研究計劃，王志團隊將繼續優化二氧化碳分離膜材料和膜分離工藝，推動膜法碳捕集技術的工業化應用。團隊將在已有研究基礎上，圍繞“納米填料與聚合物相互作用”的核心特征，將高二氧化碳分離性能的多孔材料引入聚合物基質中，形成二氧化碳分離混合基質復合膜規?；苽浼夹g和初步的膜應用技術。

“要想實現碳達峰、碳中和的國家戰略目標，相關研究領域的科研工作者還需要在多個領域、學科密切配合，完整地打通CCUS技術鏈，打造良好的體系運行生態。開發低能耗高效的碳捕集技術、安全可靠的二氧化碳壓縮與運輸技術，發展二氧化碳的下游利用產業，實現二氧化碳的高效循環利用，可以有效推動整個技術鏈的發展?！蓖踔菊f。