碳捕集化学品：二氧化碳分离中使用的溶剂和材料
碳捕集化学品：二氧化碳分离中使用的溶剂和材料
碳捕集正成为寻求减少制造和能源生产中二氧化碳（CO²）排放的行业的重要发展领域。发电厂、水泥设施、钢厂、炼油厂和化学处理单位会产生大量的二氧化碳排放，这使得有效的分离技术成为工业脱碳战略的重要组成部分
。碳捕集系统的性能在很大程度上取决于用于将二氧化碳与其他气体分离的化学品和材料。溶剂、固体吸附剂、膜和特种吸附剂均为从工业气流中捕获二氧化碳提供了不同的方法
。在这些技术中，胺基溶剂仍然是燃烧后碳捕获的既定选择。但是，研究正在扩展到先进的溶剂混合物、离子液体、金属有机框架（MOF）、沸石、固体胺材料和其他旨在提高捕获效率和降低能耗的替代品
。对于化学品制造商和工业供应商而言，这为溶剂生产、吸附剂开发、特种材料、工艺化学品和碳捕集系统组件创造了机会。
了解碳捕集化学品
碳捕集化学品是用于选择性地从气体混合物中分离二氧化碳的物质和材料。它们通过化学反应、物理吸收、吸附或选择性转运与二氧化碳相互
作用。主要类别包括：化学吸收溶剂：
与二氧化碳反应或吸收二氧化碳的液体，例如胺和碱性溶
液。物理溶剂：在合适的压力和温度条件下溶解二氧化碳的液体。
固体吸附剂：在其表面或结构内捕获二氧化碳的多孔材料。
膜材料：允许二氧化碳比其他气体更容易穿过的选择性材料。
催化剂和酶基材料：加速涉及二氧化碳的化学反应（包括其转化为碳酸氢盐）的系统。
材料的选择取决于二氧化碳浓度、气体压力、温度、水分含量、污染物和所需的捕获率。
二氧化碳分离中使用的主要溶剂
1.胺基溶剂
胺基溶剂是燃烧后碳捕获的最成熟的化学系统之一。它们含有氮基官能团，与二氧化碳反应形成氨基甲酸盐和碳酸氢盐等化学物质
。常用和研究过的胺类包括：
单乙醇胺 (MEA)：由于其与二氧化碳反应速度快，因此广泛用于燃烧后捕获的参考溶剂
。二乙醇胺 (DEA)：用于气体处理和选定的二氧化碳去除工艺。
甲基二乙醇胺（MDEA）：一种用于天然气处理和其他气体增甜剂应用的叔胺。
哌嗪（PZ）：在混合胺体系中用作溶剂或活化剂，以改善吸收性能。
2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）：一种在混合溶剂中研究的空间受阻胺，旨在改善二氧化碳负荷和再生特性。
工业应用
基于胺的系统用于或考虑用于：
发电中的烟气处理
。从水泥和钢铁厂的排放物中去除二氧化碳。
天然气增甜剂。
氢气生产和气体处理。
化学品制造设施的碳捕集。
优点和局限性
胺溶剂可提供成熟的操作经验和有效的二氧化碳吸收。但是，传统的水胺可能需要大量的能量才能再生。在长期运行期间，它们还可能经历氧化和热降解、腐蚀和溶剂损失
。因此，制造商正在开发改进的混合物和配方，旨在提高二氧化碳容量、提高稳定性并减少再生能量。
2。混合胺溶剂
混合胺溶剂结合了不同的胺，以平衡吸收速度、二氧化碳负荷、溶剂稳定性和再生要求
。例如，哌嗪可以与其他胺类结合以改善反应动力学，而叔胺可以提供良好的吸收和再生特性。
一种研究过的配方是 CESAR1，它结合了 2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）和哌嗪。它已在与工业相关的捕获测试中进行了评估
。混合系统很重要，因为没有任何单胺能在所有运行条件下提供吸收率、容量、粘度、稳定性和能量需求的理想组合。
3.无机碱性溶剂
碱性溶液通过产生碳酸氢盐或碳酸盐化合物的反应捕获二氧化碳
。常见的化学物质包括：
氢氧化钠（NaOH
）。氢氧化钾（KOH）。
氢氧化钙 [Ca (OH) ²]。
这些化学品与不同的碳捕集配置有关，包括某些直接空气捕获和工业气体处理系统。
应用
碱性溶液可用于二氧化碳与碱性液体反应形成碳酸盐或碳酸氢盐的过程。基于钙的系统也可以集成到钙循环过程中，其中氧化钙捕获二氧化碳形成碳酸钙
。关键注意事项
碱性捕获系统可以提供很强的化学反应性，但它们需要对腐蚀性材料进行管理和适当的再生过程。例如，钙循环涉及高温焙烧以释放捕获的二氧化碳并再生氧化
钙。4。物理溶剂
物理溶剂通过溶解吸收二氧化碳，而不是主要依赖化学反应。它们的性能受气体压力、温度和二氧化碳分压的影响
。例子包括：
甲醇
。聚乙二醇（DEPG）的二甲醚。
用于工业气体处理的其他特殊溶剂配方。
商用物理溶剂工艺包括使用冷甲醇的 Rectisol 和使用聚乙二醇二甲醚基溶剂的 Selexol。
工业应用
物理溶剂与高压气流特别相关，包括：氢气
和合成气
的生产。天然气处理。
燃烧前的碳捕获。
工业气体净化。
在二氧化碳分压足够高的条件下，它们的有效性通常会提高。这使得它们不太适合某些低压、稀释的烟
气应用。5。离子液体和深共晶溶剂
离子液体是在相对较低的温度下保持液态的盐。可以修改它们的化学结构以调整二氧化碳亲和力、粘度和热稳定性等特
性。正在研究这两种系统作为替代二氧化碳捕获介质。
潜在的优势包括：
低蒸气压
。可调的化学特性。
选择性吸收二氧化碳的可能性。
有机会将捕获与化学转化相结合。
但是，粘度、再生能量、材料成本、稳定性和大规模生产仍然是重要的挑战。
用于二氧化碳捕获的固体材料
除液体溶剂外，正在开发用于碳捕集的固体吸附剂和多孔材料。这些材料通过物理吸附或化学相互作用在其表面或孔隙内捕获二氧化碳
。1。沸石
沸石是结晶铝硅酸盐材料，具有高度有序的多孔结构。它们的孔隙大小和表面特性可以调整以支持选择性气体吸附
。它们用于工业分离过程，正在研究二氧化碳捕获应用。
潜在应用
从混合气体中分离二氧化碳
。天然气净化。
沼气升级。
气体干燥和净化。
精选的燃烧后捕获配置。
局限性
在许多沸石中，水蒸气可以与二氧化碳竞争吸附位点，从而降低其在潮湿气流中的有效性。因此，它们的适用性取决于气体成分和运行条件
。2。活性
炭活性炭是一种多孔碳基材料，具有较大的内表面积。它可以由不同的富含碳的原料制成，并进行改性以改善其
吸附性能。它研究了如何从气体混合物中分离二氧化碳，并可通过物理或化学活化进行定制。
应用包括气体净化、工业吸附系统和燃烧后碳捕集研究。
其性能取决于孔隙结构、表面化学、温度、压力以及水分或其他气体的存在。
3.金属有机框架（MOF）
金属有机框架是由有机连接剂连接的含金属节点制成的多孔晶体材料。它们的结构可以设计成特定的孔径和表面化学成分
。MOF 因其高表面积和可调吸附特性而吸引了研究兴趣。
潜在应用包括：
选择性二氧化碳吸附
。直接空气捕获研究。
气体分离。
工业烟气处理。
混合膜和吸附剂系统。
尽管潜力巨大，但MOF仍可能面临与制造成本、湿度稳定性、机械强度和大规模成型相关的挑战。因此，研究正在探索更适合工业设备的结构化MOF和涂层吸附剂。
4。胺功能化固体吸附剂
这些材料将多孔载体与含胺化合物结合在一起。常见的支撑物包括二氧化硅、活性炭和其他多孔材料
。胺基团与二氧化碳发生化学相互作用，而固体载体为活性物质的分布提供了表面。
潜在优势包括：
高二氧化碳亲和
力。降低了溶剂处理要求。
低波动率捕获系统的机会。
应用于燃烧后捕获和直接空气捕获研究。
但是，必须控制胺损失、氧化降解、湿度效应和再生需求。
5。共价有机框架 (COF) 和多孔有机聚合物
COF 是由通过共价键连接的有机构件构成的多孔材料。多孔有机聚合物是另一组旨在提供内部表面积和可调节化学功能的材料
。正在研究它们的选择性二氧化碳吸附和其他气体分离应用。
它们的潜在优势包括结构灵活性、可调节的孔隙化学成分和功能化机会。但是，成本、生产规模、稳定性和实际运营绩效仍然是重要的发展领域。
用于二氧化碳分离的膜材料
膜分离使用选择性材料根据渗透率和扩散的差异将二氧化碳与其他气体分离
。与溶剂吸收和固体吸附不同，膜系统通常不需要单独的液体或固体材料来捕获二氧化碳，然后通过传统的再生周期释放二氧化碳。
主要的膜类别包括：
聚合物膜：由选择性输送二氧化碳的聚合物材料制成。它们用于某些气体分离应用，并将继续开发用于工业捕获。
无机膜：由陶瓷和其他无机化合物等材料制成。它们可以在合适的应用中提供耐热和耐化学性。
混合基质膜：将聚合物与多孔填料（如 MOF 或沸石）结合以改善分离性能。
膜系统可以提供紧凑的设备和连续运行。但是，它们的性能取决于二氧化碳选择性、渗透性、压差、膜耐久性和耐污染性
。碳捕集化学品在工业过程中的作用
碳捕集系统通常涉及三个主要阶段：吸收或吸附、分离和再生
。1。二氧化碳吸收或吸附
含二氧化碳的工业气体进入捕集单元。根据技术的不同，气体接触液体溶剂，穿过固体吸附床或穿过选择性膜
。在胺基系统中，二氧化碳与溶剂发生反应并在液相中发生化学结合。
在固体吸附系统中，二氧化碳附着在材料表面或其孔隙内的活性位点上。
2。捕获的二氧化碳的分离
富含二氧化碳的溶剂或吸附剂与剩余的气流分离
。在典型的吸收过程中，经过处理的气体会离开吸收器，而富含二氧化碳的溶剂会转移到再生装置。
对于固体吸附剂，材料与气体分离并转移到再生阶段，具体取决于设备配置。
3.再生和二氧化碳回收
必须释放捕获的二氧化碳，这样溶剂或吸附剂才能重复使用
。胺系统通常使用热量在解吸器或剥离器中释放二氧化碳。固体吸附剂可以通过温度或压力变化、真空或其他工艺配置进行再生
。然后，回收的二氧化碳经过干燥、压缩和运输，以供利用或地质储存，具体视项目而定。
碳捕集化学品的工业应用
1.水泥制造
水泥生产通过燃料燃烧和石灰石化学转化为熟料产生二氧化碳。这使得碳捕集成为减少水泥厂排放的重要技术选择。
胺基溶剂和其他燃烧后捕获系统可以将二氧化碳从窑炉废气中分离出来。
潜在的供应商机会包括胺配方、腐蚀抑制剂、溶剂处理化学品、吸附剂和气体清洁材料。
2。钢铁生产
钢铁制造通过不同的生产途径产生二氧化碳，尤其是使用碳基还原剂的工艺
。碳捕集技术可以集成到选定的炼钢和下游气体处理系统中。
溶剂、吸附剂和气体分离材料可能支持从工业气流中去除二氧化碳，具体取决于工厂配置。
3.
发电燃煤和燃气发电厂通过燃料燃烧释放二氧化碳。可以安装燃烧后捕获系统，将二氧化碳与烟气分开
。胺基溶剂仍然是该应用的重要技术选择，而固体吸附剂和膜系统也在开发中。
捕获化学品的选择取决于烟气成分、二氧化碳浓度、氧气含量、水分和污染物，例如硫氧化物和氮氧化物。
4。氢气和天然气处理
氢气生产和天然气处理可能涉及含有二氧化碳的气流，必须将其去除，以满足产品规格或为进一步加工做好准备
。根据压力、气体成分和分离要求使用或考虑物理溶剂、化学溶剂和膜系统。
因此，碳捕获化学品已在气体净化和氢气相关工业过程中具有重要意义。
5。化工和石化制造
化工厂和石化工厂可以从不同的生产操作中产生浓缩或稀释的二氧化碳流
。捕获系统可以集成到氢气生产、氨制造、炼油厂操作和其他工业过程中。
这为溶剂、吸附剂、工艺添加剂和专业分离材料的供应商创造了机会。
6。直接空气捕获
直接空气捕获 (DAC) 直接从环境空气中去除二氧化碳，其浓度远低于工业废气中的
二氧化碳。DAC 系统通常研究液态碱性溶液或固体胺基吸附剂。
由于大气中的二氧化碳高度稀释，捕获材料必须具有很强的亲和力和有效的再生特性。能耗、材料耐久性、用水要求和运营成本仍然是主要挑战。
全球市场发展和研究趋势
随着各行业寻求更有效的方法将二氧化碳与工业排放和大气空气分开，碳捕集材料市场正在发展。
2026 年发表在《材料化学杂志 A》上的一篇评论研究了广泛的活性二氧化碳捕集系统，包括常规胺、氧化还原活性液体、无机碱、多孔材料、胺功能化纳米颗粒和酶基系统。它强调了吸收能力、反应速度、粘度、稳定性和再生能量之间的权衡
。《水科学与技术》杂志2026年3月的一篇综述考察了溶剂型捕获技术和新兴系统，例如离子液体、混合胺和相变溶剂。它确定溶剂降解和能源需求是扩大部署范围的重要障碍。
2026年6月，发表在《绿色化学》上的研究报告了用于直接空气捕获的交联固胺材料的开发。该研究探讨了解决与挥发胺和载体胺相关的问题的方法，包括浸出和氧化
降解。英国政府2026年5月发布的关于单片金属有机框架的报告也强调了开发用于碳捕集的结构化MOF材料的努力。该项目研究了单片和MOF涂层吸附剂作为传统粉末材料替代品的潜力，这些材料
可能面临成本和结构稳定性的挑战。2026 年 7 月发表的研究还研究了可切换的丝氨醇基胺溶剂，这些溶剂旨在将高二氧化碳容量和低粘度相结合。这些进展表明，人们一直在努力改善溶剂性能和减少再生所需的能量。
这些发展表明，碳捕集化学品的未来将涉及对已有胺系统的改进以及针对特定工业条件的替代材料的开发。
碳捕集化学品的关键性能要求
溶剂或捕集材料的适用性不仅仅取决于其吸收二氧化碳的能力。工业运营商必须考虑整个捕获和再生周期的性能。
重要要求包括：
二氧化碳吸收或吸附能力：在特定操作条件下可以捕获的二氧化碳量
。选择性：在氮气、氧气、水蒸气和其他气体存在的情况下捕获二氧化碳的能力。
再生能量：释放捕获的二氧化碳和恢复溶剂或材料所需的能量。
化学稳定性：在重复捕获和再生周期中耐降解。
腐蚀行为：与工艺设备、管道和存储系统的兼容性。
粘度和传质：影响溶剂循环、气液接触和泵送要求的重要特性。
耐湿性：在含有水蒸气的气流中有效运行的能力。
耐污染性：耐受硫氧化物、氮氧化物和颗粒物等杂质。
材料寿命：在延长工业运行期间保持性能的能力。
如果实验室规模二氧化碳容量高的材料需要过多的再生能量或在反复循环后性能下降，则不一定是最合适的工业选择。
碳捕集化学品制造面临的挑战
1.高再生能量
许多碳捕集系统需要能量来释放捕获的二氧化碳并恢复溶剂或吸附
剂。对于传统的水胺系统，加热富含二氧化碳的溶剂可能需要大量的能量。减少这种需求是溶剂研究和工艺优化的主要目标
。2。溶剂降解和腐蚀
胺溶剂可通过热反应和氧化反应降解，尤其是在暴露于工业气流中的氧气和杂质时
。降解会降低溶剂性能，并产生额外的操作和维护要求。可能需要缓蚀剂、溶剂监测和适当的气体预处理
。3.材料稳定性和耐久性
固体吸附剂和先进的多孔材料必须保持其结构并在反复的操作周期中保持其性能
。湿气、高温、污染物和机械应力会降低性能。因此，制造商必须评估现实工业条件下的材料寿命。
4。生产成本和可用性
专业溶剂、MOF、膜和功能化吸附剂可能需要先进的制造工艺和昂贵
的原材料。商业扩张将取决于开发可扩展的生产方法和在不影响捕获性能的情况下提高材料成本。
5。工业过程集成
碳捕集设备必须与现有生产系统一起运行。气体成分、温度、压力和运行时间表的差异会使整合变得困难。
材料供应商和技术开发人员必须与工业运营商密切合作，确保捕获化学品与工厂的运行条件兼容。
6。环境和化学品管理
捕获化学品必须在其整个使用寿命期内对其进行管理。这包括安全处理、储存、溶剂更换、降解产品管理和废物
处理。全面的环境评估应考虑捕获材料的生产、能耗、溶剂损失、排放和处置要求。
化学品制造商和工业供应商的机
会碳捕集项目的发展为多个化学品和材料供应链创造了机会。
专业溶剂生产：制造商可以为工业捕获系统开发胺类混合物、高级溶剂、腐蚀抑制剂和溶剂处理产品。
吸附剂制造：供应商可以生产用于二氧化碳分离的活性炭、沸石、功能化二氧化硅和其他多孔材料。
先进材料开发：MOF、COF、混合基质膜和结构化吸附剂为具有特种材料和材料工程专业知识的公司提供了机会。
工艺化学品：碳捕集厂需要用于水处理、腐蚀控制、气体净化和设备维护的化学品。
测试和技术服务：供应商可以通过溶剂分析、材料表征、性能测试和质量文档为项目提供支持。
回收和溶剂回收：捕获化学品的回收和再利用有助于降低运营成本并支持更高效的工厂运营。
对于制造商而言，成功将取决于提供满足特定捕获技术运行要求的可靠材料，而不是提供单一的通用解决方案。
资料来源：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2026/ta/d5ta10129h？
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