《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Research progress on preparing CO2 adsorbents from waste materials
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施应哲|刘希淼|周华龙|郭文涛|车继昌|苏伟|邢毅北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083，中国摘要为了应对全球的“碳峰值”和“碳中和”目标，碳捕获、利用与封存（CCUS）技术得到了迅速发展。在这些技术中，固体吸附因具有宽的操作温度范围、低能耗和低污染性而受到青睐。根据
施应哲|刘希淼|周华龙|郭文涛|车继昌|苏伟|邢毅
北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083，中国
摘要
为了应对全球的“碳峰值”和“碳中和”目标，碳捕获、利用与封存（CCUS）技术得到了迅速发展。在这些技术中，固体吸附因具有宽的操作温度范围、低能耗和低污染性而受到青睐。根据联合国环境规划署（UNEP）的数据，由于全球每年产生112亿吨固体废物（包括城市废物、农业残渣、工业副产品等），对环境和土地造成压力，因此将固体废物转化为二氧化碳吸附剂已成为废物回收和低碳发展的研究重点。
本文重点研究了通过热解、水热合成和碱活化等方法，将农业残渣（如稻壳和玉米穗）和工业副产品（如粉煤灰和钢渣）等固体废物转化为高性能二氧化碳吸附剂，包括活性炭、沸石和金属有机框架（MOFs）。我们对这一领域的最新进展进行了系统回顾，分析了所用原料的特性、制备方法、吸附性能以及工业应用的可行性。本工作的目的是为固体废物的利用和可持续低碳发展提供技术和理论基础。
引言
自工业革命以来，技术的快速进步推动了工业化的发展。近几十年来，经济全球化和城市化也稳步推进[1]。然而，这些社会进步是以巨大的能源消耗为代价的。煤炭、石油和天然气是现代工业发展的主要化石燃料。这些燃料燃烧时会释放大量二氧化碳，全球年排放量不断增加。二氧化碳是最重要的温室气体，占所有温室气体的约71.6%[2]。大规模生产和二氧化碳排放目前被认为是对全球环境和气候产生深远影响的重要因素。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的最新报告（2022年），鉴于温室气体对气候的负面影响，必须采取紧急行动来减缓气候变化。据IPCC估计，温室气体排放最迟应在2025年达到峰值[3]。这意味着到2030年，排放量可以减少43%[3]。
根据国际能源署（IEA）的数据，为了将全球变暖限制在工业化前水平以上1.5°C以内，全球二氧化碳排放量必须在2050年左右达到净零[4]。2024年，全球二氧化碳排放量比上一年增加了0.9%，总计36.3 Gt二氧化碳。这些持续不断的排放进一步消耗了剩余的碳预算，一些估计表明1.5°C的预算可能在未来5年内就会被超出，甚至可能已经超出[5]。
为了积极应对气候变化，世界各国都制定了达到碳排放峰值和实现碳中和的战略目标。这些目标伴随着针对各国特定发展状况制定的路线图。因此，开发有效的二氧化碳减排技术至关重要[6]。CCUS是一种非常有效的二氧化碳管理方法。二氧化碳捕集技术在工业生产过程中减少大量二氧化碳排放中起着关键作用，是CCUS过程中的一个关键步骤。主要的二氧化碳捕集技术类型包括化学吸收、膜分离、吸附和低温分离。其中，化学吸收主要使用传统的液相吸收方法，具有较高的捕集效率。然而，这些方法通常伴随着吸收塔内的泡沫和夹带现象，能耗高，需要大型设备，腐蚀严重，并且投资成本高，因此经济可行性不强[7]。膜分离具有低成本、操作简便和能耗低的优点，但仅适用于捕获低浓度的二氧化碳[8]。相比之下，低温分离适用于在高浓度、高压力和高分离纯度条件下捕获二氧化碳。然而，它涉及高运营成本和复杂的过程，而且二氧化碳的低温冷冻可能导致管道堵塞[9]。固体吸附利用不同固体吸附材料的吸附能力来捕获和分离不同的气体成分，随后进行吸附剂的脱附和再生[10]。固体吸附因其宽的操作温度范围、低成本和能耗低、强大的吸附能力以及最小的污染而被广泛应用。用于二氧化碳捕集的吸附材料包括活性炭（AC）、石墨烯、沸石、多孔聚合物、碳纳米管、金属有机框架（MOFs）、二氧化硅基、碱金属基和金属氧化物碳酸盐基材料以及生物炭[11][12][13]。
全球产生的废物量正在增加，每年大约产生112亿吨固体废物，而且这一数字还在继续上升[14]。如果不妥善管理，如此大量的固体废物积累将不可避免地导致严重的土地资源浪费、生态破坏以及资源利用效率降低。因此，安全处理和回收固体废物中的资源已成为全球最紧迫的环境和资源相关挑战之一，引起了研究人员的极大兴趣。迄今为止，已经付出了巨大的努力来处理固体废物，并开发了热解、脱水、真空冶金分离和水热技术[15][16][17][18]。最近，固体废物在二氧化碳捕获和利用中找到了应用，可作为二氧化碳捕获和活化材料或与二氧化碳共转化的原料。从二氧化碳转化和固体废物利用的角度来看，这一策略展现了令人兴奋的前景[19]。
本文的目的是全面总结从废物材料制备二氧化碳吸附剂的最新进展。我们的工作包括介绍目前广泛使用的二氧化碳捕集技术和固体吸附剂。此外，还描述了根据固体废物的分类，使用各种类型废物合成理想吸附剂的方法。希望这一视角能为通过利用固体废物进行二氧化碳捕获和利用提供有价值的见解，从而促进这些领域的发展。
章节摘录
二氧化碳捕集技术
CCS技术目前是一个广泛研究的领域，因为它为减轻碳排放的环境影响提供了中期解决方案。这种方法使我们能够在可再生能源技术成熟之前继续使用化石燃料。二氧化碳捕集技术将工业过程中的排放物分离出来，然后冷却和压缩，以便通过管道或其他方式高效运输。最后，将其注入特定的地下地质层中
固体吸附剂
近年来，由于固体吸附剂被用作二氧化碳捕获材料，它们成为了一个受欢迎的研究课题[102]。其优点包括相对宽的操作温度范围（从室温到900°C）、回收过程中产生的废物量少、使用过的吸附剂易于处置以及对环境的影响相对较小。对于高温烟气（例如燃煤电厂排放的烟气），高温固体吸附剂可以直接捕获二氧化碳而无需
固体废物是指在人类生产、消费和日常生活中产生的、已经失去原始用途价值的材料。固体废物的分类取决于其来源。固体废物可分为以下几类：工业固体废物（包括尾矿、煤矸石、粉煤灰、冶金渣等）、农业固体废物（主要是生物质废物）、城市固体废物以及其他类型的固体废物
结论与展望
总之，利用固体废物制备二氧化碳吸附剂为有效利用废物资源提供了一条可行的解决方案。这种方法还显著降低了二氧化碳捕集材料的成本，这对实现碳峰值和碳中和目标具有重要意义。现有研究表明，多种二氧化碳吸附剂，包括沸石、活性炭、多孔硅酸盐等，都具有这种潜力
施应哲：撰写——初稿。周华龙：概念构思。刘希淼：研究。车继昌：概念构思。郭文涛：研究。邢毅：资金获取。苏伟：资金获取。
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