第474期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《捕捉二氧化碳》
讲座题目：透视新科技——捕捉二氧化碳
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：宋春风，天津大学环境与工程学院副教授。
王体壮，中科院过程工程研究所副研究员。
讲座时间：2023年7月17日～7月23日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——捕捉二氧化碳
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。二氧化碳在我们的生活当中几乎是无处不在，我们知道人体可以呼出二氧化碳，饮料当中也含有二氧化碳，甚至还有人知道二氧化碳可以造成温室效应，对环境产生影响。那如今随着科技的不断发展，科技人员可以把这个二氧化碳，重新捕捉回来再运用，那到底长怎么捕捉，又怎么应用呢？我们先来看一段短片。二氧化碳是空气的组合成分之一，常温常压下无色无味。二氧化碳与生命息息相关，植物的光合作用需要它，人类的生活同样离不开它。与此同时，二氧化碳也是温室效应的元凶之一。二氧化碳大量排放会使地球的温度升高，进而危害人类和动植物生存，人类对于二氧化碳可谓是爱恨交加。近年来，二氧化碳的捕捉成为各国科学家的重要课题。二氧化碳该如何捕捉，捕捉到之后该怎样存放呢？首先，我们给大家介绍一下今天我们请来的两位嘉宾，天津大学环境与工程学院的副教授宋春风，中科院过程工程研究所的副研究员王体壮。二氧化碳我们很熟悉了，那二氧化碳到底来自于哪里？我们为什么要去捕捉二氧化碳，两位给我们解释一下。
二氧化碳的来源，目前我们说主要有三类，第一个，就是我们说一些植物死亡之后，包括动物和植物，它们死亡之后，因为它们身上全是碳呀，最后甭管通过什么样的迭代，最后它都是大部分变成二氧化碳，到了我们大气当中，这是第一部分。第二部分，就是活着的动物，目前它们都是需要氧气来产生这个循环的，提供能量，然后呼出的就是二氧化碳，这个量也不容小觑。第三个，就是我们随着人类文明的进步，工业的发展，我们需要能源，所以我们有很多化石能源的燃烧，也会产生二氧化碳。我们还需要很多材料，比如说我们的建筑材料，我们生产水泥，生产石灰的过程当中，矿石的分解也会产生大量的二氧化碳。就是我们自然界当中，会存在着一个天然的这个碳循环，比如说我们的植物还有动物。植物会吸收二氧化碳，动物它在生长过程当中会呼出二氧化碳，二氧化碳会在自然界中形成一个自然的循环，那我们为什么会关注它？
实际上是由于近年来，大气当中的这个二氧化碳浓度越来越高，然后这样的话会导致一个这个气候变化这样一个问题。所以这样的话，我们从科学界也好，从产业界也好，有这样一个需求去控制二氧化碳（排放）。就是这70多亿人，排出的二氧化碳，再加上我们特别喜欢吃的动物，再加上一些野生动物，然后这些东西都加起来，包括海洋里头动物，它排出的二氧化碳。为什么我们不说这些二氧化碳，因为这是地球正常碳循环，就需要这么多二氧化碳，我们真正要处理的是，其实是我们工业，生产当中排出的二氧化碳。原先的大概两万年时间内，地球的二氧化碳含量都没有超过300个ppm(百万分比浓度），ppm就是百万分之一了，就是含量非常少。而随着人类工业文明的到来，大概是从1750年开始，经过了短短不到300年的时间，到2020年7月份，我们大气当中二氧化碳的含量就达到了414.28ppm，直接增加了50.6%，所以这个量增加非常多，而且二氧化碳增加的速率也在增加，它会产生很多危害。我们这些年经常听到这个词，温室效应，到底它的影响和危害是什么？两位能跟我们说一下吗？
那温室效应，就是说我们太阳射到地球上的光，本来有一大部分还会反射到太空当中去。因为二氧化碳含量增加了，所以，就相当于在地球周围，就穿上了一件衣服，然后这件衣服，就使得反射出去的这个热量，又会再反射到地球上来，所以，就造成了地球温度在增加（升高），它使全球极端天气的出现的频率更多。比如说这个地方原先雨水就特别多，它让它有时候，一些地方它下雨量会更大，所以，就会造成洪涝，这些包括人口，就是人生命的安全和财产的损失了。那如果在海洋当中，溶解的二氧化碳多了呢，海水就变酸了。海洋当中的生物也会受到影响。对，那海水变酸了之后，我们知道在海洋当中的生物群落，特别倚仗海洋当中的一种东西叫珊瑚礁。而珊瑚礁的主要成分就是碳酸钙，那如果海水变酸之后，碳酸钙就会分解了，就会造成珊瑚礁的崩塌，就会造成仰仗珊瑚礁而存在的生物群落的消亡，而这个过程是不可修复的。温室效应产生的第二个危害，就是使我们的永久冻土层，它们在哪儿呢？基本上都在北极，永久冻土层会融化。融化完之后，本身我们永久冻土层当中，它中间包含了很多死去的动物和植物的尸体，都在里头冻着，所以它那些动物和植物的尸体当中就含有很多碳元素。
冻着的时候，这些碳不会放出来，一旦温度升高，冻土层融化之后，里头就刚才咱们说的动物和植物的尸体，它们都会发生分解，然后这些又会以二氧化碳的形式排放出来。二氧化碳的恶性循环。对，实际上温室气体它的种类很多，比如说有二氧化碳，有水蒸气，有甲烷，有氟氯烃等等，那实际上二氧化碳在这里边，它这个温室效应的作用并不是最强的。但是我们都知道，我们每年二氧化碳排放的体量却是最大的，所以从整体上来讲，这个导致全球气候变化，或者说全球变暖的原因之一就是二氧化碳，这也就给我们提供了一个这个理由，为什么要去捕集，去封存，去再利用二氧化碳？那它在整个温室气体里面的这个贡献率，最多可以达到80%这样一个水平，所以我们还是有非常强大的一个，这个需求去减排二氧化碳。
2020年，世界气象组织发布的报告显示自工业革命以来，全球平均气温上升了约1.1摄氏度。如果保持目前二氧化碳的排放水平，到本世纪末，地球的气温将上升3至5摄氏度，温度的升高虽然只有几摄氏度，带来的影响却是灾难性的，冰川消融、海平面上升、海洋升温和海水酸化，各种极端天气频发等等，人类生产、生活、动植物的生命都将受到严重影响。二氧化碳减排已经迫在眉睫，捕捉二氧化碳的技术也正被积极研发。但是在矿物燃烧后的烟气中，捕捉二氧化碳并不是一件容易的事情。大型锅炉运作时产生的烟气量很大，需要捕捉技术，具有强大的工作效率，而且二氧化碳在烟气中的含量也会因为不同的燃料和不同的燃烧工艺而有所变化，如何更迅速而准确的分离出二氧化碳？并且对它进行捕捉，这是科学家们所要面对的挑战。刚才说的捕捉二氧化碳，这个捕捉这个词来源于过去我们打猎等等。为什么用捕捉这个词呢？实际上我们在空气里边也好，还是在其他的这个气体排放过程当中，二氧化碳是和其他气体分子共同存在。也就是说，我们需要从混合气体里面把二氧化碳给它分离出来，所以我们形象的用捕捉这样一个词，有针对性的把二氧化碳给它拿出来，并不是把其他的气体分子拿出来。
那二氧化碳怎么去捕捉？我们针对二氧化碳，它的物理化学性质，实际上有物理方法和化学的方法来处理二氧化碳，那化学的方法实际上很简单，二氧化碳是一种酸性气体，我们可以用一些碱性溶液把它吸收掉。然后通过这个化学吸收的反应，把二氧化碳捕集出来。那另外一种技术手段就是通过物理层面上，我们可以通过一些多孔的这个材料，比如说我们家里冰箱里经常会放活性炭，去除一些臭味，实际上它的这个原理是和二氧化碳的物理吸附是一样的，我们可以通过多孔材料把二氧化碳给它吸附分离掉。那还有一种技术手段，实际上就是低温分离方法，那所谓的低温分离方法很简单，就是我们把这个环境的一个温度给它创造一个非常低的一个这个条件，比如说达到负100摄氏度，那这个时候二氧化碳就会从气体里边变成液态，或者是固态的这样一个相态，达到一个分离的效果。二氧化碳，就像我们空气当中撒的很多小磁粉，它在空气当中飘着到处走，那我的这个化学的这种方法，就相当于拿了一个磁铁，把中间所有的二氧化碳，就是从中间一个一个全部给它吸下来，然后就把它给抓住了。第二种方法，就是说的物理吸附法，因为就是我们周围用到的很多东西，比如说我们衣服上经常会沾一些灰尘，为什么呢？
因为它的表面积就相当于它存在表面就会吸附东西，那我们用的物理吸附法，就是用的原料，就是它有面积非常大的一种物质。比如说我们平时用的分子筛、活性炭，它的表面积，就相当于两个篮球场那么大。那它有这么大的面积，它当然就会吸收（附）很多东西，其中就包括了二氧化碳，把二氧化碳吸附到这些物质表面上，然后再通过其他的方法，就是再把它处理掉。无论是化学法，还是物理吸附，还是低温手段，它们的一个共性瓶颈，就是一个这个能耗的一个问题，会涉及到一个再生的过程。所谓再生，就是指的我原来吸附的东西，甭管是物理方法还是化学方法，它吃一段时间就吃饱了，吃饱之后就是相当于它里头全都是二氧化碳了，我就需要把这个二氧化碳拿出去，拿出去的方法就是对这些吸饱了二氧化碳的这些物质，给它升温，升温完了之后二氧化碳就跑出来了。还有一个低温，我们知道我们所有的气体，在温度降低足够低的时候，它都会变成液体，我就可以把二氧化碳先变成液体，这样二氧化碳就被拿走了，这个过程我们称为再生，就是我们在捕集二氧化碳的过程当中，实际上需要能量的输入，那如果我们做不好，那就会造成一个得不偿失的效果。
给您举个简单的例子，就是我们在欧洲很多发达国家，他们实际上有很多工业的捕集二氧化碳（方法）的推广。他们捕集一吨的二氧化碳，可能大概需要40到50美元，那可能有的国家，征集这个碳排放税，那也就是说有的公司排出二氧化碳，它可能不需要捕集二氧化碳，交罚款、交税就可以。但是这个税，可能只需要30美元，那这样的话就会造成一个尴尬的局面，有很多企业直接交税，宁愿直接去交税，也不去回收二氧化碳。这个成本划不上。对，所以我们需要我们科学家去共同地努力，把这个能耗，把这个成本给它降下来。这三种传统的方法它的特点，相对来讲成本会高一些，工艺也会复杂一些。那接下来我们就主要聊聊这个二氧化碳新的捕捉方法，那这个新的方法叫什么名字呢？叫它混合机制膜技术，近些年来新兴的一种技术就是膜分离法，我们通过这个有机的材料，制备一些平板的和中空纤维的膜材料，通过高压的这样一个手段，把二氧化碳过膜，然后实现一个有效的分离。刚才宋老师说的膜，其实不像我们平时用的，就比如说保鲜膜一样，那么一个东西，它既不透水又不透气，什么都不透，它是起到阻隔作用。
其实我们说的这个膜呢，它是一个微观孔径非常小的筛子，我们希望做到的是让二氧化碳能够过去，而混合在二氧化碳当中的其他的气体不过去。比如说我们现在建筑产业，需要很多沙子，但是又不需要沙子里头的石子，而我们的沙子，采自于河滩或者说河底，那这时候，就是沙子和石子儿是在一起的，那我为了获得沙子怎么办呢？我就要用筛子筛。但是如果我的筛眼太大，那沙子和石子一块儿都过来了，那是（筛）沙子的效率比较高了，但石子也过来了，所以，我现在就要把这个筛子里头的那个孔减小，减小到什么程度呢？能让绝大多数的沙子过去，而石子不过去，这样我们就得到了沙子，而且，还尽可能把这个得到沙子的效率提高，就相当于我们获得的二氧化碳。这个膜实际上是个筛子。是个筛子。只是它的滤网，这个口径，恰恰能够通过二氧化碳，所以其他的分子就会剥离出来了。这个新技术的它的特点，跟我们说一说。
烟气有什么特点呢？它这个气量非常大，每秒可以达到几百公斤，这个烟气量在这样一个快速产生的一个条件下，如果我们这个膜透过性不是特别好的话，那实际上整个工艺它的这个流畅性就会大打折扣，受到严重的影响。如果我们用膜技术，对膜的一个很高的一个要求，就是它透气的这个速度要非常快，那这个参数我们是用这个渗透性来衡量它，也就是说渗透性越好，它这个透气性就越快。那另外一个这个特点就是我们在电厂捕集二氧化碳的时候，我们要把二氧化碳从氮气里边给筛分出来，我们让氮气尽可能不通过膜，这样的话就是另外一个参数，选择性，渗透性和选择性，实际上就是这样一个概念，我们让烟气里边的这个二氧化碳快速地通过，而氮气呢，又不通过，所以这样的话就会达到一个比较好的捕集二氧化碳的一个效果。我们传统的这个膜材料，是以这个单一的有机膜，或者说无机膜为主，新技术是把这两种材料混合到一起，这样的话会有一个什么优势呢？传统的这个有机膜，它可能这个渗透性比较好，过膜比较快，但是它的选择性比较差，刚才说二氧化碳一般是和其他气体分子一同存在，所以这样的话，如果筛分效果不是特别好的话。杂质会比较多。没错，所以我们在原有的这个有机膜的这个基础上，把它放进去一些这个无机材料，通过这个无机材料，非常有针对性的去筛分二氧化碳分子。这样的话，我们既达到了一个快速，又达到了一个有针对性的筛分的一个目的，最终的效果就会实现一个这个高纯度的，然后低成本的二氧化碳的分离。
其实我们传统的膜分离方法，就相当于我做筛子的材料，有一个是无机的材料，这个无机的材料，就能保证眼儿特别小。那这样，就是它的选择性特别好，只有二氧化碳能够过去，但是它的通量不行，也就是说过去的效率比较低，也就是说选择性比较强，透过性比较差。那我们另外一种做筛子的材料，就是我们说的这个有机膜，有机膜就是相对来说眼就比较大，二氧化碳过去的这个速率很快，过去的量很大，那同时，像其他的物质，就是原先在和二氧化碳混合的东西，也可以一块儿过去，所以，我们现在的这种新方法就相当于，就是我们既想提高它的这个就是渗透性，又想提高它的选择性，所以，我们就把无机膜和有机（膜）结合起来。这个新技术的它的技术优势跟我们说一说。这个膜材料不会涉及到一个，刚才提到的一个再生过程。那这样的话，它的能量输入就相对来说要小很多，就是这种技术在能耗方面的一个优势，同时，一个是材料，一个是工艺，这两方面的这个创新来突破这个能耗一个瓶颈，我们通过一些，低廉的合成材料，或者说溶剂的这个使用，把这个膜的这个成本，从原来的40万（元人民币）每吨，这样一个合成成本，可以降到这个20到30万（元人民币）每吨这样一个水平，所以这个成本上，还是有一个大幅的这个降低。目前就是我们团队在开发的这个膜材料，它在渗透性和这个选择性上都有一定的优势，那具体来讲，我们的渗透性相对于传统这个膜材料，它的这个提高可以达到1.2倍。而选择性，它的这个提高可以达到二到四倍。所以从整体的二氧化碳分离效率上来讲，会有个明显的这个提升。既然把它捕捉到了，放哪儿？
不知道您知道不知道，这个我们中国，拿我们中国为例，每年大概会排出来多少二氧化碳？可以告诉您，中国每年由于能源、化石能源使用，排出的二氧化碳大概将近90亿吨（2019年）。这是个什么概念？我给大家举个例子，那如果说90亿吨二氧化碳，如果我全部做成干冰，假如说干冰的密度和水的密度一样大的话，那它大概占的体积是多大呢？如果我们在地球表面铺一米，就一米厚的这个干冰，铺多宽呢？铺，我们说500米宽，那这90亿吨二氧化碳，就可以围绕地球铺一圈儿，就这么大的量。这个体量非常非常大，如果我们把这90亿吨二氧化碳全分离捕集下来，那我们把它放在哪儿，然后怎么用它，实际上这是一个非常非常难，或者说非常非常有挑战性的一个问题。你们捕捉了这么多东西，到底要怎么处理它，用在哪儿，怎么用？我们捕集回来大量的二氧化碳，我们需要怎么解决呢？一个解决手段就是封存，我们可以把它打到地下1000米的这个盐水层。盐水层有什么特点呢？实际上盐水层它地下会有一部分空间，那我们可以想象，比如说我们在地下开采石油，开采煤炭的时候，当我们把这个煤炭和石油拿出来以后，地下会有一定的空间，而这个盐水层的这个上面，除了地下有空间以外，地上呢它的上层，会有一部分密度比较强的这个岩石，起到了一定的这个密封的作用。那这样的话，就为我们二氧化碳封存，提供了一个天然的空间。
当我们把二氧化碳打到盐水层以后，它会经过长周期的地质作用，这个周期会非常长，可能会经过数百到上千年，发生一个矿化的作用，慢慢地这个碳元素会溶解到矿石里边，变成矿石的一部分。另外一个选择，实际上二氧化碳在我们这个生活当中，很多地方我们用得到，比如说小朋友很喜欢喝可乐，然后大人很喜欢喝啤酒，这里边都会涉及到碳酸。那如果把这个二氧化碳，用到这个食品行业，实际上这是一个非常好的一个，这个闭环的一个循环。这是挺好的一个应用的方向，目前国家也都在尝试，在做实施，比如说中国现在很多蔬菜，都来源于蔬菜大棚。那为什么用蔬菜大棚？因为它的产量更高，然后这个蔬菜的品质更好，所以我们用塑料大棚，但这个又给我们了天然操作的一个环境。比如说我其中二氧化碳的浓度，提高到空气中二氧化碳浓度十倍的话，那我这个比如说蔬菜和水果的产量就能增加20%左右，所以这是一个非常好的利用的方面。其实也是利用了我们说的碳循环，只不过是我们给它强化了它的浓度，使得循环的效率更高一点。
近些年，在世界各国环保人士的倡导下“碳中和”成为热词，并被越来越多的人所接受。“碳中和”指在通过植树造林、节能减排等形式，抵消在生产中所产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳的“零排放”。而要实现“碳中和”，除了节能减排、植树造林、捕捉二氧化碳，并且对其有效利用也是重要手段之一。作为一个新成果，新的二氧化碳捕捉技术是否已经得到广泛应用。目前这项新技术，我们国家已经发展到什么程度了？目前，应该说我们还是停留在这个基础研究的阶段，我们主要是在实验室，从机理层面，从这个小试的这个规模，能够把这个机理给它研究清楚。那实际上我们都知道，从这个实验室走到中试，再到工业应用，实际上还有很长的一段距离。那在工业应用的这个之前呢，我们还需要有很长的一段路要走。目前这项新技术还存在哪些瓶颈呢？目前就是我们团队在开发的这个膜材料，应用到工业碳捕集过程当中，那实际上很多工业条件会对我们这个膜材料形成一定的挑战。比如说，当我们在分离烟气里面二氧化碳的时候，这个烟气的高温会挑战我们这个膜材料的一个化学稳定性和热稳定性。另外，烟气里面的一些杂质，会挑战我们这个膜材料的一些这个机械稳定性和它的一些机械强度，那这些会需要我们科学家在未来工作当中去重点，去攻关，去解决掉。一旦我们突破了这个技术瓶颈之后，到底可以应用在哪些领域？
当我们这个技术达到足够成熟的这样一个条件下，我们实际上在很多领域，或者说很多行业会有一定的这个应用，比如说我们在这个电厂烟气的二氧化碳减排和工业，比如说水泥厂、钢体这些行业，这些地方都会有二氧化碳减排或者说膜分离技术应用的一个这个空间。那甚至是将来我们在室内，或者说密闭空间的二氧化碳净化，都会用到这个二氧化碳膜分离技术。比如说，就是我们在室内环境里面，可能我们每天在房间里面，也会因为我们的呼吸会产生很多的二氧化碳。那如果这个房间的这个通气性不是特别好，然后屋里边这个人口密度又特别高，那这个时候室内的二氧化碳浓度就会大幅地上升。那如果这个室内空气里边的二氧化碳浓度上升到一定程度的话，实际上对我们这个人体的健康造成一定的影响。那如果我们把这个二氧化碳分离，或者说捕集的技术应用到我们这个室内空气的这个调整的话，那这和我们这个每个人的24小时的生活，就息息相关了。我们再来畅想一下，这项技术随着它不断地提高，未来的发展前景会有哪些？
最核心的一个领域，比如说能源，我们可以把捕捉回来的二氧化碳重新给它变成能源。大家可以想一下，就是二氧化碳里边是有一个碳原子，那我们可以通过一些化学的手段，或者说催化的手段给它加碳、加氢，然后把氧拖出来，那这样儿的话，它就会重新变成新的碳氢燃料，那这样的话，在我们这个能源领域就可以对我们的。比如说我们中国的这个能源结构，会有个颠覆性的改变。现在我们是以化石能源为主，那如果我们把这个二氧化碳充分利用起来的话，它可以在我们这个能源结构里面发挥非常重要的一个作用。咱们举个例子，比如说航空母舰上，它如果说没有，飞机是需要我们说的航空煤油的，对吧。那你这个过程中，你就需要不断地给它输送航空煤油，我飞机才能飞起来。我飞机目前原先美国做过核能飞机，到后来不做了，为什么？风险太大，所以，现在的飞机全部都是用航空燃油来推动，来驱动。那好，在我航空母舰上是不缺能源的，它是核能是有的，对吧。我如果通过核能给二氧化碳输入能源之后，能够让它变成航空煤油，那我就相当于把二氧化碳转化，就相当于它变成一个能量的载体了，变成另外一种物质。
我们都知道这个二氧化碳的排放，是导致全球气候变化和全球气候变暖非常主要的一个原因。那如果我们把二氧化碳有效地捕集，然后进行封存或者说转化，到底会发生什么样的变化。那比如说我们这个全球气候的变暖，就会有一个很有效的控制，那一些气候性的天气灾害性的天气，或者说极端天气发生的频率就会降低，我们这个海平面的上升也会得到有效的控制。那甚至是一些这个生物多样性的这个变化，这些问题都和二氧化碳排放有关系。那这样的话，如果我们把二氧化碳问题解决，实际上对我们人的这个生存的环境，直接层面上来讲，是有一个非常非常大的一个改观。今天真的是非常感谢两位来到我们演播室，跟我们共同探讨这个关于捕捉二氧化碳的这样的一个话题。过去，我们觉得二氧化碳这个东西是不好的物质，但从科学的角度再去判断，它会被我们重新利用，变成新的资源，这就是科学的魅力。好感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，如果您想了解我们更多的内容，可以下载我们的央视频，去收看我们更多的节目。好，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
