脱碳剂作为实现碳中和目标的关键材料，在能源、化工、钢铁等领域发挥着不可替代的作用。其核心功能是通过化学或物理作用捕获气体中的二氧化碳（CO₂），助力工业流程低碳化转型。本文从技术分类、性能特点及应用场景三方面，系统解析主流脱碳剂的种类与发展趋势。

一、化学吸收剂：传统主力军的革新

1. 醇胺类吸收剂

代表产品：一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）。

技术特点：

MEA：反应速率快，但降解率高、腐蚀性强，需定期补充；

MDEA：选择性吸收CO₂，再生能耗低30%，适用于天然气净化；

应用场景：燃煤电厂烟气处理、合成氨原料气脱碳。

2. 碳酸钾溶液（Hot Potassium Carbonate）

技术特点：

碱性溶液在高温下吸收CO₂，再生温度低（105-120℃）；

腐蚀性弱，但吸收速率较慢。

优化方向：添加活化剂（如氨基乙酸）提升反应速率，已用于壳牌Cansolv工艺。

3. 氨水吸收剂

技术特点：

吸收容量高（1kg氨可吸收0.8kg CO₂），再生能耗低；

但存在挥发损失，需配套回收装置。

新兴应用：加拿大Carbon Engineering公司开发空气直接捕集（DAC）技术，用氨水实现CO₂捕集成本低于100美元/吨。

二、物理吸收剂：低压高效的新选择

1. 聚乙二醇二甲醚（NHD）

技术特点：

在高压（4-7MPa）、低温下吸收CO₂，无化学反应，再生能耗低；

适用于高浓度CO₂场景（如合成气净化）。

典型案例：鲁奇Lurgi工艺在煤化工项目中实现CO₂捕集率95%。

2. 甲醇吸收剂

技术特点：

低温下吸收CO₂，常用于深冷分离工艺；

但需配套冷能回收系统，增加投资成本。

应用场景：天然气液化（LNG）前脱碳。

三、吸附剂：精准捕获的纳米技术

1. 活性炭

技术特点：

微孔结构提供高比表面积（>1000m²/g），吸附容量达0.5mmol/g；

成本低，但选择性差，需频繁再生。

改进方案：负载胺基官能团，CO₂吸附量提升3倍。

2. 分子筛（Zeolite）

技术特点：

规则孔道结构实现分子级筛选，优先吸附CO₂（孔径0.3-0.4nm）；

耐高温（>500℃），适用于变温吸附（TSA）工艺。

应用场景：氢气提纯、空气分离。

3. 金属有机框架材料（MOFs）

技术特点：

比表面积高达6000m²/g，CO₂吸附量突破13mmol/g；

可通过功能化设计（如引入氨基）提升选择性。

研究进展：MIT团队开发的Mg-MOF-74在湿度条件下仍保持90%吸附效率。

四、膜分离剂：低能耗的未来方向

1. 高分子膜

代表材料：聚酰亚胺（PI）、聚氧化乙烯（PEO）。

技术特点：

通过溶解-扩散机制分离CO₂，操作压力低（<2MPa）；

但易受杂质污染，需定期清洗。

商业化案例：Air Products公司用PEI中空纤维膜实现天然气CO₂含量从15%降至2%。

2. 无机膜

代表材料：二氧化硅、碳分子筛。

技术特点：

耐高温、耐腐蚀，适用于苛刻工况；

但制造成本高，规模化应用受限。

突破方向：3D打印技术制备多孔陶瓷膜，成本降低40%。

五、新兴脱碳剂：颠覆性技术涌现

1. 离子液体（Ionic Liquids）

技术特点：

几乎无挥发性，CO₂吸收容量高（0.5-1.0mol/mol）；

可通过阴/阳离子设计调节物理化学性质。

研究进展：德国DICP团队开发出含氨基功能化离子液体，再生能耗降低50%。

2. 相变吸收剂

技术特点：

吸收CO₂后发生相分离，富液通过重力沉降实现自浓缩；

再生能耗降低30%，已用于中石化胜利油田CCUS项目。

3. 生物质基吸附剂

技术特点：

利用农业废弃物（如稻壳）制备活性炭，成本低至0.2美元/kg；

吸附CO₂后可通过生物降解实现碳循环。

应用场景：农业大棚CO₂增肥、垃圾填埋场气体处理。

六、选型策略与挑战

选型关键因素：

气体成分：高浓度CO₂优先选物理吸收剂，低浓度选化学吸收剂；

操作条件：高温工况选分子筛，低压工况选膜分离；

经济性：TCO（总拥有成本）需涵盖能耗、溶剂损耗、设备投资。

技术瓶颈：

再生能耗：占脱碳总成本的60%-70%，需开发低能耗再生工艺；

稳定性：化学吸收剂易降解，需添加抗氧化剂；

规模化挑战：MOFs、离子液体等新材料仍处于中试阶段。

脱碳剂技术正从单一化学吸收向多元化、精细化方向发展。随着材料基因组学、AI加速研发等技术的融合，未来将涌现更多高性能、低成本的新型脱碳剂。企业需根据自身工况，综合评估技术成熟度、经济性与环保性，制定差异化脱碳方案，助力全球碳中和目标实现。