近日，南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院張作泰教授課題組在 Environmental Science & Technology 期刊上發(fā)表了題為“Transforming coal fly ash into climate solutions: AlOOH-supported solid amine adsorbents for cost-effective and ultranegative CO2 emissions”的研究論文。該研究提出了一種創(chuàng)新固態(tài)胺吸附劑合成策略，利用燃煤電廠粉煤灰制備碳捕集材料，顯著降低碳捕獲成本和碳足跡，為燃煤電廠CO2捕集提供了經(jīng)濟可行的解決方案。 
圖1 燃煤電廠原位利用粉煤灰實現(xiàn)CO2捕集、利用和封存(CCUS)的策略
隨著人類活動導(dǎo)致CO2濃度上升，碳捕獲與封存(CCS)技術(shù)已成為減少CO2排放的重要手段。固態(tài)胺吸附劑因其高選擇性、優(yōu)異的吸附容量和低再生能耗，成為下一代CCS技術(shù)的關(guān)鍵材料。然而，高生產(chǎn)成本和有限的循環(huán)穩(wěn)定性限制了其在實際應(yīng)用中的推廣。為解決這些問題，團隊提出了一種創(chuàng)新技術(shù)路線——利用燃煤電廠粉煤灰作為原料合成以AlOOH為載體的固態(tài)胺吸附劑。該吸附劑不僅在煙氣碳捕集過程中表現(xiàn)出卓越的捕集性能，同時還具備較低的碳足跡和捕集成本。
圖2 PEI@AlOOH吸附劑的吸附性能和循環(huán)穩(wěn)定性
研究團隊通過從粉煤灰中提取的NaAlO2為原料，成功合成了多孔AlOOH材料，該材料具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、層間水和表面羥基基團。以此為載體，負載聚乙烯亞胺(PEI)，制備了PEI@AlOOH吸附劑。該吸附劑在模擬燃煤煙氣條件下展現(xiàn)出178 mg/g的CO2吸附容量，并在150℃的CO2再生氣氛中循環(huán)30次后，性能衰減僅為4.11%。其卓越的穩(wěn)定性得益于AlOOH載體的層間水和表面羥基基團，它們有效抑制了高溫下尿素的生成，從而顯著提升了吸附劑的抗尿素循環(huán)穩(wěn)定性。
圖3 PEI@AlOOH吸附劑的全生命周期分析和經(jīng)濟成本分析
通過全生命周期評價和經(jīng)濟成本分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)，PEI@AlOOH的碳足跡明顯低于傳統(tǒng)硅基固態(tài)胺和樹脂基固態(tài)胺吸附劑，每噸CO2捕集的碳排放量僅為190kg。此外，得益于低廉的載體材料成本、優(yōu)異的吸附性能和循環(huán)穩(wěn)定性，PEI@AlOOH的碳捕集成本也顯著低于其他兩類吸附劑，凸顯了其廣泛的應(yīng)用潛力。
該研究為解決燃煤電廠CO2排放問題提供了創(chuàng)新的思路和技術(shù)支撐，具有廣泛的應(yīng)用前景，對推動碳捕集技術(shù)的商業(yè)化具有重要意義。
論文第一作者為環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究助理教授沈雪華，張作泰和沈雪華為論文通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。以上研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省科學(xué)技術(shù)廳和深圳市科技創(chuàng)新局的支持。
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