《Carbon Capture Science & Technology》：Carbon dioxide point-source and direct air capture using biocatalytic textiles
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本文聚焦于应对全球气候变化，亟需从大气和点源（如发电厂）高效捕获二氧化碳(CO2)的紧迫挑战。研究人员开发了以壳聚糖-棉织物为载体的生物催化纺织品接触器，通过创新性的酶（碳酸酐酶，CA）固定化技术（包括使用双功能活性染料交联），成功将其应用于CO2的活性吸收。该技术兼容多种环境友好的碱性吸收溶剂（如碳酸盐、氨基酸、海水等），在实验室到中试规模的测试中，展现出高达95%的单程CO2捕获效率、卓越的耐用性，以及相比传统不锈钢填料超过200%的性能提升。这项研究为开发可持续、低成本、可扩展的碳捕集、利用与封存（CCUS）技术提供了新材料和新工艺思路，对实现碳中和目标具有重要意义。
气候变化是当今世界面临的严峻挑战，而大气中不断攀升的二氧化碳(CO2)浓度是其主要推手。为了缓解全球变暖，人类亟需从源头——特别是燃煤、燃油、燃气等工业点源排放的废气中——大规模捕集CO2。甚至，为了逆转大气中已累积的CO2，直接从空气中进行捕获也变得至关重要。传统的化学吸收法，如使用有机胺溶剂，虽然有效，但也面临着溶剂腐蚀、降解、再生能耗高以及潜在的环境问题。因此，科学家们一直在寻找更绿色、更节能、更具成本效益的碳捕集新方案。
在此背景下，一项发表在《Carbon Capture Science & Technology》上的研究带来了一缕清风。来自北卡罗莱纳州立大学的Sonja Salmon、Jialong Shen、Min Xiao等研究人员独辟蹊径，将目光投向了两种大自然的“礼物”：一种是在生物体内高效催化CO2与水反应的关键酶——碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase, CA)；另一种则是我们日常生活中随处可见、可再生的材料——纺织品。他们创造性地将两者结合，开发出了名为“生物催化纺织品”的新型气体-液体接触器，为高效、可持续的碳捕集打开了一扇新的大门。
研究人员开展这项研究的核心思路是：利用纺织品天然的高比表面积和优异的液体芯吸（Wicking）特性，来最大化气体与液体的接触面积；同时，将CA酶牢固地固定在纺织品表面，让它在反应最前沿持续、高效地催化CO2的吸收反应。这样一来，不仅可以克服许多温和但反应较慢的“绿色”溶剂（如碳酸钾、海水等）的动力学限制，还能避免传统酶法工艺中酶容易失活、流失或需要复杂分离回收的难题。他们的研究目标是证明这种生物催化纺织品接触器，无论是用于高浓度点源捕获(Point-Source Capture, PSC)还是低浓度的直接空气捕获(Direct Air Capture, DAC)，都具备高效、耐用、兼容性好且易于规模化制造的潜力。
为了验证这一设想，研究团队运用了几个关键的技术方法：首先，他们开发了多种酶固定化策略，包括早期的壳聚糖聚合物包埋、戊二醛(GA)交联，以及本研究重点推出的、基于纺织工业成熟技术的双功能活性染料(Bifunctional Reactive Dye, BRD)交联法。其次，他们设计并制造了两种主要形态的接触器模块：一种是自支撑的纺织品结构化填料(Textile Structured Packing, TSP)，可直接“放入”传统吸收塔；另一种是更灵活、支撑结构极简的纺织品帘式接触器(Textile Curtain Contactor, TCC)，可悬挂成特定形状。然后，他们在实验室规模的吸收柱中，通过测量进口与出口的CO2浓度，系统评估了不同代际生物催化纺织品（如CATSP-1, CATSP-2, CATSP-3, CATSP-4, CATCC等）在各种溶剂（碳酸盐、胺类、氨基酸、pH调节的海水和泉水等）和不同CO2浓度条件下的单程捕获效率。此外，他们还进行了长达1000小时的连续溶剂流动耐久性测试、加热溶剂浸泡实验以及长达一年的干态储存稳定性测试。为了更贴近实际应用，研究团队还在美国肯塔基大学的一套集成式中试装置上，以30% wt甲基二乙醇胺(MDEA)为溶剂，在模拟烟气（14% CO2）条件下，对CATSP-2和CATSP-3模块进行了循环吸收-解吸性能测试，并与传统不锈钢填料进行对比。最后，他们甚至在后院用5加仑桶构建了一个简易的DAC演示装置，使用海水与木灰提取液的混合溶剂，评估了TCC-D接触器在真实大气环境下的直接空气捕集性能，并初步探索了吸收后溶液的ex-situ（异地）矿化潜力。
研究结果
1. 酶增强多种良性溶剂在点源捕获条件下的性能
实验室测试表明，第一代生物催化纺织品模块(CATSP-1)的CO2捕获效率是相同填充高度的玻璃拉西环的15倍，其中酶催化贡献了约2倍的增强。通过堆叠模块增加填充高度，效率可进一步提升至82%。当在溶剂中直接添加溶解的CA酶时，效率最高可达95%。第二代CATSP-2模块在多种溶剂（碳酸钾、二甲甘氨酸、MDEA、pH调节的海水等）中均表现出稳定的高捕获效率（约56%-68%），且能适应从环境空气到25%浓度不等的进气CO2，展现了出色的溶剂兼容性和操作灵活性。
2. 耐久性与长效性测试
CATSP-2模块展现了非凡的耐用性。在经历了10次测试循环、中间洗涤、100小时45°C热溶剂浸泡后，其性能仍保持100%。随后，在环境条件下干态储存一年后，性能保留率仍超过85%。该储存一年的模块又经历了500小时的连续溶剂流动测试，性能依然稳定。这归功于戊二醛交联在酶、壳聚糖和棉纤维之间形成的牢固共价键网络。
3. 酶增强良性溶剂在直接空气捕获条件下的性能
使用简单的pH调节泉水作为溶剂，CATSP-2模块在模拟DAC条件下几乎能将空气中的CO2完全去除，证明了其用于超低浓度CO2捕获的潜力。
4. 基于活性染料交联的可扩展酶固定化
为解决戊二醛的工业应用健康风险，研究团队开创性地使用纺织工业常见的双功能活性染料（如活性红198）作为交联剂。通过连续的浸轧-烘干工艺，将CA酶层层固定在壳聚糖涂覆的棉织物上。制备的生物催化纺织品在40°C的碳酸钾溶剂中浸泡23天后，酶活性保留率超过90%；将其组装成CATSP-4模块进行1000小时连续测试，CO2捕获性能保持稳定，与戊二醛交联法效果相当，但更适用于规模化生产。
5. 纺织品帘式接触器
研究人员开发了更轻量化、支撑结构更少的TCC设计。实验室测试中，填充螺旋型TCC-F的性能虽略低于同高度的TSP，但模块质量轻了11倍，且无泛液或发泡问题。更重要的是，在“后院桶”DAC演示中，环形螺旋TCC-D设计成功运行。使用1%碳酸钾溶剂时，生物催化版本(CATCC)的CO2吸收效率是未加酶版本的两倍；添加溶解酶后，效率进一步提升至60%。尤为引人注目的是，使用海水与木灰提取液（一种生物碱源）的混合溶剂时，生物催化TCC同样实现了约两倍的性能提升，并且在溶液中观察到了白色沉淀，暗示了吸收的CO2可能以矿物碳酸盐形式沉淀，为ex-situ矿化提供了初步证据。
6. 中试规模的生物催化纺织品测试
在肯塔基大学的集成式中试装置上，使用30% MDEA溶剂，CATSP-3模块的性能超越了早期的CATSP-2。在最佳液体-气体比(L/G)条件下，CATSP-3的CO2捕获效率相比传统250Y不锈钢填料提升了超过208%。更重要的是，在低L/G（1.8）条件下，CATSP-3使富液负载量（以C/N比表示）提升了300%。这意味着在达到相同捕集效率时，可以使用更低的溶剂循环量，从而有望显著降低系统的能耗和吸收塔的尺寸。
研究结论与意义
本研究系统性地开发并验证了基于生物催化纺织品的创新型CO2捕获技术。研究得出的核心结论是：以棉织物为基底，通过壳聚糖涂层及共价交联（戊二醛或双功能活性染料）固定碳酸酐酶所制得的生物催化纺织品，是一种高效、耐用、多功能且极具规模化潜力的气体-液体接触器材料。
其重要意义体现在多个层面：
- 1.
性能卓越：该技术能大幅提升多种环境友好型溶剂的CO2吸收动力学，在实验室规模实现高达95%的单程捕获效率，并在中试规模对比传统金属填料展现出超过200%的性能提升。
- 2.
兼容性强：生物催化纺织品与广泛的碱性溶剂体系兼容，包括碳酸盐、二级胺、氨基酸、乃至丰富的天然水源（如pH调节的海水、泉水），极大地扩展了碳捕集溶剂的选择范围，为开发低能耗、低成本的“仅吸收器”工艺或与矿化联用的新流程创造了条件。
- 3.
耐久性高：材料能耐受反复洗涤干燥、热溶剂浸泡、长期干态储存以及数百至上千小时的连续运行，性能无显著衰减，满足了工业应用对稳定性的基本要求。
- 4.
可扩展性佳：特别是基于双功能活性染料的固定化方法，直接借鉴了成熟的纺织印染工业技术，使生物催化纺织品的大规模、连续化生产成为可能，降低了技术产业化的门槛。
- 5.
设计灵活：开发出的TSP和TCC两种接触器构型，可适应不同反应器设计需求。TCC设计尤其具备轻质、低支撑结构、无泛液风险等优点，为构建紧凑、高效的DAC装置提供了新思路。
- 6.
可持续性前景：使用纤维素（棉）基纺织品、生物基壳聚糖、以及源自微生物的CA酶，整个系统具有显著的生物基和可再生特性。初步验证的使用海水-木灰提取液进行DAC并伴随矿化的概念，更进一步将碳捕集与永久性固碳（形成碳酸盐矿物）相结合，为实现“负排放”提供了一条具有吸引力的潜在路径。
总之，这项研究不仅证明了生物催化纺织品作为高效碳捕集接触器的技术可行性，更通过其材料、方法和设计的创新，为开发下一代更经济、更可持续、更易推广的碳捕集、利用与封存技术奠定了坚实的基础，对全球应对气候变化挑战具有重要的科学价值和实际应用意义。
