《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Solid waste-derived membranes for CO
2 capture: Material design, separation mechanism, and techno-environmental evaluation
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固体废物衍生膜通过整合碳捕获与工业废弃物循环利用，为解决二氧化碳排放和垃圾填埋问题提供新路径。本文系统综述了飞灰、钢渣、生物质等废弃物制备膜材料的工艺（如浸渍、相变、电纺），解析其孔隙调控与界面工程机制，评估经济性（成本<30美元/吨CO?）及生命周期影响，并指出需突破杂质-基体-孔隙耦合效应、长期稳定性及规模化瓶颈。
马金城|岑启红|何彬彬|杜旺|谢龙贵|郭志英|任楠奇|尹霞|黄晓峰|饶翱|宁萍|马丽萍|戴曲秀
昆明理工大学环境科学与工程学院，中国云南省昆明市650093
摘要
固体废弃物衍生膜（SWDMs）是一类新兴的可持续材料，它们将碳捕获功能与工业和农业废弃物的循环利用相结合。本文系统总结了如何将粉煤灰、钢渣、塑料和生物质等固体废弃物转化为用于二氧化碳（CO2）分离的功能性膜，并强调了它们在减轻垃圾填埋负担和替代高碳材料方面的潜力。文章讨论了浸涂、相转化和静电纺丝等多种制备策略，以及影响气体分离性能的结构-功能机制。特别关注了界面工程、孔隙控制以及化学相容性，这些因素是实现选择性二氧化碳传输的基础。此外，对现有的技术和经济数据及生命周期评估进行了分析，结果表明，在有利条件下，基于SWDM的系统原则上可以将二氧化碳捕获成本降至每吨30美元以下，并且相比传统膜具有更低的隐含排放量和材料消耗。最后，本文还批判性地分析了SWDMs目前存在的局限性、数据缺口（尤其是其在工业条件下的长期稳定性问题）以及研究瓶颈。最后提出了一个发展路线图，以使膜创新与净零目标保持一致，为低碳制造和可持续工业脱碳提供了一条路径。
引言
为了将全球变暖控制在1.5°C以内，世界必须在2030年前将人为产生的二氧化碳排放量比2010年的水平减少约45%，并在2050年左右实现“净零”排放[[1], [2], [3]]。电力生产、钢铁、水泥和化工行业合计排放了超过70%的二氧化碳[4,5]。碳捕获、利用和储存（CCUS）被认为是从固定源去除二氧化碳最有效的方法。目前的二氧化碳捕获技术包括吸收、吸附、低温蒸馏和膜分离[6]。其中，膜分离因其模块化、低能耗、操作简便且无二次污染等优点而受到青睐（表1）。
然而，目前商业化的聚合物膜、陶瓷膜和混合基质膜（MMMs）依赖于石油衍生的单体[11]、高纯度氧化物或复杂的金属有机框架（MOFs）填料；其材料成本（>100美元/平方米）和碳足迹（>4千克二氧化碳当量/平方米）阻碍了大规模应用。与此同时，固体废弃物的累积量在2025年已达到22.2亿吨[12]，在欧盟的废物处理体系中，填埋仍然是最后的选择（图1(a)）[13]。
这些废弃物的不当处理和管理不仅会导致严重的环境问题，还会对人类健康产生不利影响[15]。此外，日益严重的废物产生问题使得人们更加重视废物管理、产品生命周期评估（LCA）和循环经济策略[16,17]。为了解决经济和环境问题，并遵守最近实施的可持续经济发展法规，工业界提出了循环利用的方法，以促进固体废弃物的再利用[[18], [19], [20]]。利用可回收的固体废弃物制备用于二氧化碳捕获和分离的可持续膜[[21], [22], [23], [24]]，将“废物转化为资源”的理念融入循环经济思维中，可以同时减少温室气体排放和减轻垃圾填埋压力（图1(b)）[14]。
在这里，我们将固体废弃物衍生膜（SWDMs）定义为任何其基体或功能填料来源于固体废弃物的致密、多孔或复合膜。然而，要充分发挥其潜力，需要解决三个相互关联的科学挑战：（1）杂质-基体-孔隙（IMP）的耦合；（2）渗透性和选择性之间的平衡；（3）生命周期的不确定性。其中，“杂质-基体-孔隙（IMP）的耦合”是一个关键挑战。当前的研究集中在通过复杂的预处理去除固体废弃物中的杂质，以获得接近纯化学物质的前体。然而，这些杂质并不总是有害的。例如，废纤维素膜中的木质素可以提高表面粗糙度同时增强机械稳定性[25]；再生塑料中的增塑剂或无机填料可以作为孔形成剂或抑制大孔的形成[26]。这些研究表明了杂质、膜基体和孔隙之间的动态耦合关系。
先前的综述主要关注SWDMs的制备及其在水处理和其他污染物分离中的应用[[27], [28], [29], [30], [31]]。Goswami等人的综述[32]讨论了制备参数和固体废弃物原料的选择对膜选择性和机械强度的影响，而Tai等人的综述[33]总结了SWDMs的改性方法。这些工作为SWDMs的进一步发展提供了重要的实验基础。然而，大多数研究要么集中在特定的废弃物类型上，要么在技术和经济影响方面缺乏定量分析。减少二氧化碳排放对全球气候影响同样重要。Ismail等人和Ghazali等人的综述讨论了SWDMs在气体分离中的应用，但主要限于农业生物质废弃物。
本综述系统总结了SWDMs的来源，分析了制备参数和杂质如何影响膜的孔隙率、相变和分离性能，并提出了优化策略以提高二氧化碳分离效率和耐用性。此外，现有的技术和经济数据及生命周期评估被纳入了一个初步的SWDMs二氧化碳捕获基准框架中，明确区分了文献中的估算值和经过验证的工业性能。据我们所知，目前尚未有综合材料设计、分离机制和技术-环境评估的综述。
部分摘录
富含硅/铝的无机废弃物用于陶瓷膜
作为全球主要的粉煤灰（FA）[32,36]、煤矸石（CG）[37]和钢渣（SS）[38,39]生产国，印度和中国仍面临大量工业废弃物未被利用的问题（图2）。粉煤灰、煤矸石和钢渣作为工业废弃物在全球范围内大量产生，富含SiO2、Al2O2、CaO和Fe2O3等关键陶瓷形成氧化物[40]。这些成分使它们成为多孔陶瓷膜的有希望的前体[[41], [42], [43], [44], [45]]。
浸涂
浸涂仍然是在多孔支撑体上沉积膜层的最常用方法之一，尤其是在实验室规模制备中。在SWDMs的生产中，这种方法简单且适用于含有粉煤灰、钢渣等矿物残留物的悬浮液。典型的工艺包括将废弃物粉末分散在乙醇或水中制备胶体悬浮液，通常通过调节pH值或使用分散剂来稳定悬浮液。然后将基底浸入悬浮液中并缓慢取出。
功能纳米填料：MOFs、介孔SiO2和沸石
功能纳米填料可以通过增加膜的表面积、引入选择性吸附位点和减少曲折度来显著改变膜的内部结构和传输路径。Janakiram等人[112]报道了最近开发的纳米材料改性膜。合适的填料通常是纳米级的、高孔隙率的，并且与宿主基体具有化学相容性。以下纳米填料在提高SWDMs性能方面显示出特别的前景。
烟气处理（CO2/N2）
从发电厂和水泥窑中捕获燃烧后的二氧化碳（CO2涉及在接近大气压、中等温度（50–80°C）和较高湿度条件下从富含氮气的烟气中分离CO2。典型的烟气含有15–16%的CO2、73–77%的N2、5–7%的H2O、3–4%的O2以及微量的SO2/NOx杂质[136]。在这种条件下，对于致密或混合膜来说，溶液扩散是主要的气体传输机制。然而，传统的聚合物膜受到限制原材料和加工成本
SWDMs的经济优势从根本上源于使用低成本或负成本的固体废弃物作为原料。粉煤灰、钢渣、废旧轮胎、塑料袋和RHA等材料丰富且通常需要处理费用。与传统聚合物膜或陶瓷膜不同，SWDMs通过利用废弃物提供了循环经济的路径。然而，将固体废弃物加工成功能性膜SWDMs的生命周期碳评估和环境影响
为了评估SWDMs的环境性能，进行从摇篮到坟墓的生命周期评估（LCA）是必要的。该方法通过将SWDMs与传统的石化基膜进行比较，量化了从原材料获取到处置的所有阶段的环境负担。LCA包括四个关键阶段：（1）目标和范围定义；（2）生命周期清单（LCI）；（3）生命周期影响评估（LCIA）；（4）解释[[172], [173], [174], [175]]。对于SWDMs而言，功能单位
SWDMs在二氧化碳捕获和分离方面的关键局限性
尽管SWDMs在二氧化碳捕获方面显示出显著的优势和广阔的应用前景，但在固体废弃物来源、环境可持续性和分离性能方面仍面临若干关键限制。要充分发挥其潜力，理解这些限制至关重要。
(1)固体废弃物的异质性
SWDMs在确保性能一致性方面存在局限性。与商用膜相比，SWDMs的微观结构和功能基团存在显著差异
结论与未来展望
本文全面总结了SWDMs在二氧化碳分离方面的最新发展，涵盖了材料选择、制备途径、结构-性能关系、操作可持续性和LCA维度。SWDMs作为一种有前景的低成本和符合气候目标的解决方案，促进了工业废弃物的循环利用。然而，要实现其全部潜力，仍需解决许多挑战和研究空白。
作者贡献
所有作者都对研究的构思和设计做出了贡献。马金城：概念化、方法论、文献收集与分析、写作；岑启红：文献收集与分析、写作；何彬彬：概念化、方法论、监督、审稿与编辑；杜旺：概念化、方法论、监督、审稿与编辑；谢龙贵：审稿与编辑；郭志英：方法论、审稿与编辑；任楠奇：概念化、方法论、项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（22406077）、云南省自然科学基金（202401AT070400）、云南省星电人才支持计划、云南省重大科技项目（202505AT350002）、云南省磷石膏回收与生态利用重点实验室（202449CE340028）、贵州省科技项目（QKHJC[2024]youth206）、中国国家留学基金委（CSC）以及Hui Peng的研究支持
