南科大張作泰團隊開發低成本固廢源碳捕集材料
近日，南方科技大學環境科學與工程學院張作泰教授課題組在 Environmental Science & Technology 期刊上發表了題為“Transforming coal fly ash into climate solutions: AlOOH-supported solid amine adsorbents for cost-effective and ultranegative CO2 emissions”的研究論文。該研究提出了一種創新固態胺吸附劑合成策略，利用燃煤電廠粉煤灰制備碳捕集材料，顯著降低碳捕獲成本和碳足跡，為燃煤電廠CO2捕集提供了經濟可行的解決方案。 
圖1 燃煤電廠原位利用粉煤灰實現CO2捕集、利用和封存(CCUS)的策略
隨著人類活動導致CO2濃度上升，碳捕獲與封存(CCS)技術已成為減少CO2排放的重要手段。固態胺吸附劑因其高選擇性、優異的吸附容量和低再生能耗，成為下一代CCS技術的關鍵材料。然而，高生產成本和有限的循環穩定性限制了其在實際應用中的推廣。為解決這些問題，團隊提出了一種創新技術路線——利用燃煤電廠粉煤灰作為原料合成以AlOOH為載體的固態胺吸附劑。該吸附劑不僅在煙氣碳捕集過程中表現出卓越的捕集性能，同時還具備較低的碳足跡和捕集成本。
圖2 PEI@AlOOH吸附劑的吸附性能和循環穩定性
研究團隊通過從粉煤灰中提取的NaAlO2為原料，成功合成了多孔AlOOH材料，該材料具有豐富的孔隙結構、層間水和表面羥基基團。以此為載體，負載聚乙烯亞胺(PEI)，制備了PEI@AlOOH吸附劑。該吸附劑在模擬燃煤煙氣條件下展現出178 mg/g的CO2吸附容量，并在150℃的CO2再生氣氛中循環30次后，性能衰減僅為4.11%。其卓越的穩定性得益于AlOOH載體的層間水和表面羥基基團，它們有效抑制了高溫下尿素的生成，從而顯著提升了吸附劑的抗尿素循環穩定性。
圖3 PEI@AlOOH吸附劑的全生命周期分析和經濟成本分析
通過全生命周期評價和經濟成本分析，研究團隊發現，PEI@AlOOH的碳足跡明顯低于傳統硅基固態胺和樹脂基固態胺吸附劑，每噸CO2捕集的碳排放量僅為190kg。此外，得益于低廉的載體材料成本、優異的吸附性能和循環穩定性，PEI@AlOOH的碳捕集成本也顯著低于其他兩類吸附劑，凸顯了其廣泛的應用潛力。
該研究為解決燃煤電廠CO2排放問題提供了創新的思路和技術支撐，具有廣泛的應用前景，對推動碳捕集技術的商業化具有重要意義。
論文第一作者為環境科學與工程學院研究助理教授沈雪華，張作泰和沈雪華為論文通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。以上研究得到了國家自然科學基金、廣東省科學技術廳和深圳市科技創新局的支持。
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