虚拟专题||碳中和路径（二）
文摘
科学
2024-10-23 12:27
浙江
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二氧化碳（CO2）捕集、利用与封存（CCUS）是解决全球变暖问题的关键技术。CCUS通过捕集与封存减少大气中的CO2含量，并利用CO2代替化石原料的使用进一步减少CO2的净排放。CCUS技术的实施基于微尺度下CO2物理和化学过程的综合研究。微流控技术可以在微米甚至纳米尺度操控流体并揭示流体运动规律，在CO2捕集、利用与封存等各个环节中均发挥了重要的作用。本文概述了微流控技术的优势，包括精确的流体操控、大比表面积和增强的传热传质能力。系统介绍了与CCUS相关的微流控研究，包括CO2捕集吸收剂的快速筛选、配方优化和材料制备，CO2高效转化利用的电催化反应、光催化反应、催化剂制备和光合作用检测，CO2地质封存的流体分析和地质建模等。最后，总结了微流控技术在CCUS中所扮演的重要角色，提出了微流控技术在CCUS领域的机遇和挑战。
孙东鹏, 郑园, 陈东. 微流控在二氧化碳捕集、利用与封存的研究[J]. 能源环境保护, 2023, 37(2): 117-124.DOI:10.20078/j.eep.20230103.SUN Dongpeng, ZHENG Yuan, CHEN Dong. Applications of microfluidics in carbon capture, utilization and storage (CCUS)[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(2): 117-124.DOI:10.20078/j.eep.20230103.
微生物电解池CO2电甲烷化的影响因素及电子中介体角色探究
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化石燃料燃烧排放的温室气体，导致了全球生态环境恶化与能源危机。因此，探索二氧化碳（CO2）的转化、再利用和清洁能源生产的新技术迫在眉睫。与传统CO2转化为高值产物的技术相比，利用微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell, MEC）将CO2转化为低碳能源甲烷（CH4）具有反应条件温和、催化剂可回收利用、产物绿色环保等优点，受到了研究者们的广泛关注。本文综述了CO2的捕获与高值资源利用的研究现状，并对MEC-CO2电甲烷化的主要影响因素（如接种物来源、反应器构型、外加电压、电极材料特性等）展开阐述，简要概述了电子穿梭体，特别是核黄素在MEC-CO2电甲烷化中扮演的重要角色及其在电产甲烷菌的生物膜成膜过程中的关键作用，点明现阶段MEC-CO2电甲烷化的技术瓶颈及未来研究的技术突破要点，为MEC-CO2高效电甲烷化的发展及“双碳计划”的实现提供理论支持。
甄广印, 王娜, 王佳懿, 陆雪琴, 邱博然. 微生物电解池CO2电甲烷化的影响因素及电子中介体角色探究[J]. 能源环境保护, 2023, 37(3): 136-143. DOI:10.20078/j.eep.20230105.ZHEN Guangyin, WANG Na, WANG Jiayi, LU Xueqin, QIU Boran. Main factors influencing the electro-methanation of CO2 in microbial electrolytic cells and the role of electron intermediates[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(3): 136-143. DOI:10.20078/j.eep.20230105.
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传统冷链运输的高能耗和高排放被认为是实现物流运输行业碳达峰、碳中和的重大挑战。相变储冷技术作为近年来发展的新兴技术，有望极大降低制冷负荷、减少能源消耗和温室气体排放量。本文比较传统冷链运输与相变储冷冷链运输的碳排放足迹，阐明了相变储冷技术在冷链运输低碳转型中的应用潜力，分析了不同种类冷链运输所需的储冷技术要求。相变储冷技术关键在于相变储冷材料的性能调控和封装技术，性能调控重点是调节相变温度满足不同货物的冷藏要求，而封装技术则重点解决相变材料的泄漏问题并增强其导热能力。相变储冷技术与冷链运输的集成方式多样：与冷藏车的围护结构相结合，制成共晶板置于厢体内部，与传统制冷单元相集成亦或是制成被动式冷却冷链运输箱。相变储冷冷链运输今后研究的重点是研制高性能相变储冷材料，同时实现冷链运输过程的多温区调控与智能化。
朱傲常，李传常. 相变储冷技术在冷链运输低碳转型中的应用[J]. 能源环境保护, 2023, 37(3): 185-194. DOI:10.20078/j.eep.20230123.ZHU Aochang, LI Chuanchang. Application of phase change cold storage technology in the low carbon transition of cold chain transportion[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(3): 185-194. DOI:10.20078/j.eep.20230123.
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开发高效的CO2化学转化和利用技术是推动碳捕集利用（CCU）技术快速发展的关键，对我国实现双碳战略目标具有重要意义。沸石分子筛是一种具有规整微孔结构、高结晶度以及高水热稳定性的无机材料，在CO2化学转化领域有着广泛的应用前景。本文介绍了当前沸石分子筛催化材料在CO2转化领域的应用研究进展，重点介绍了沸石催化剂在CO2-CH4干重整、CO2加氢以及等离子体驱动CO2转化方面的最新研究进展。理性设计并可控构筑高性能沸石分子筛催化材料以最大限度地提高CO2转化效率和产物收率，是未来该领域的研究重点。尽管沸石分子筛催化材料在CO2转化领域表现出良好的应用前景，但仍有很多方面值得深入开展研究：1)在CO2直接加氢制C2+碳氢化合物（如芳烃）体系中，沸石分子筛的催化性质有着非常关键的作用，如何有效合成并调控沸石的酸性位点，是提高目标产物选择性和收率的关键；2)面向高通量CO2转化过程，结合3D打印技术，实现整体式结构沸石分子筛催化材料的可控制备，将成为该领域的重要发展方向；3)面向新兴催化技术（如电催化、等离子体催化等）,设计开发相应的沸石分子筛催化材料，也必将为沸石分子筛催化材料的应用拓展提供可能。
陈焕浩, 范晓雷. 沸石分子筛催化材料在二氧化碳转化中的应用[J]. 能源环境保护, 2023, 37(2):168-177.DOI:10.20078/j.eep.20230124.CHEN Huanhao, FAN Xiaolei. Applications of zeolite-based catalysts in CO2 utilization[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(2): 168-177.DOI:10.20078/j.eep.20230124.
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燃煤电厂是当前我国二氧化碳（CO2）的主要排放源，针对燃煤电厂研发并改造CO2捕集工艺是亟待解决的问题。基于酶促反应的CO2捕集技术可利用碳酸酐酶（CA）强化CO2捕集过程，实现CO2吸收效率的提升并能有效解决传统碳捕集工艺中的能源损耗，在碳捕集研究中吸引了越来越多的关注。尽管CA酶具有高催化效率和对环境友好等优点，但游离酶的稳定性和重复利用性较差，无法大量应用于实际工业碳捕集工艺中，需要选择合适的载体与固定方法制备稳定的固定化CA酶。针对这一关键问题，本文在介绍CA酶作为生物催化剂强化CO2吸收作用机理和酶促强化捕集技术的基础上，重点论述了CA酶的固定方法（吸附法、共价键合法、交联法和封装法）及其应用于CO2捕集方面的最新研究进展。此外，对基于酶促反应的CO2捕集技术的未来发展方向进行了展望，提出该技术应进一步研发高活性和稳定性的工程性CA酶，构筑高性能且廉价的仿酶催化剂，开发更加经济高效的酶固定化载体材料和工艺，以及加强评估固定化CA酶在实际碳捕集工艺中的应用情况及成本效益。
张士汉, 邵培静, 叶杰旭, 沈遥. 基于酶促反应的二氧化碳捕集技术研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(2): 205-214. DOI:10.20078/j.eep.20230213.ZHANG Shihan, SHAO Peijing, YE Jiexu, SHEN Yao. Research progress of carbon dioxide capture technology based on enzymatic reaction[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(2): 205-214. DOI:10.20078/j.eep.20230213.
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钢铁行业碳排放位列工业行业首位，其中高炉工序碳排放量最高，是钢铁行业碳减排卡脖子环节。高炉煤气循环耦合碳捕集是高炉实现碳减排的重要途径，在减少碳排放的同时，能够实现炉顶煤气的资源化利用，达到节能减排的目的。文章综述了煤气循环耦合碳捕集对高炉冶炼的影响，介绍了以煤气循环为主要特点的富氧高炉冶炼工艺，综述了高炉碳捕集技术在工业应用成熟的化学吸收法和变压吸附法，指出将煤气循环和碳捕集耦合更有利于高炉冶炼。在已发展的煤气循环耦合碳捕集应用中，两种技术耦合可使高炉碳排放降低20%～40%。未来的研究应关注煤气循环过程中高炉内反应机理变化，和适用于高炉煤气的低能耗碳捕集材料开发，并积极推进该技术在工业上的应用。
徐文青, 符乐, 杨阳, 田沁霖, 李超群, 王艺晰, 朱廷钰, 郝润龙. 高炉煤气循环耦合碳捕集低碳冶炼技术研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(3): 175-184. DOI:10.20078/j.eep.20230302.XU Wenqing, FU Le, YANG Yang, TIAN Qinlin, LI Chaoqun, WANG Yixi, ZHU Tingyu, HAO Runlong. Research progress in low carbon smelting technology of blast furnace gas cycle coupling carbon capture[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(3): 175-184. DOI:10.20078/j.eep.20230302.
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燃烧后胺法吸收CO2极具规模化碳捕集和工业化推广潜力，但在高效吸收CO2的同时，部分吸收剂会以气溶胶的形式随烟气离开碳捕集系统，不仅导致设备异常运行还会引发环境污染问题，因此胺气溶胶排放控制已成为胺法碳捕集工业化推广亟待解决的新问题。然而，胺法碳捕集技术目前仍处于示范阶段，尽管国内外已开始关注胺气溶胶排放控制，但胺气溶胶形成和演变是一个受吸收参数和烟气组分等多因素影响的复杂过程，实际胺气溶胶排放的数据差异较大，为发展高效低成本控制技术及制定排放限值提出了挑战。论文介绍了异质核在胺气溶胶非均相成核中的诱导作用，总结了胺气溶胶浓度和粒径测试的主要手段，对比了不同研究机构实测的胺气溶胶排放数据，明确了异质核条件下胺气溶胶粒径分布的特征，分析了烟气异质核、CO2浓度、贫液温度、溶剂负荷等参数对胺气溶胶形成和排放的影响，最后对凝聚预处理、塔内调控和高效末端控制等三类胺排放控制技术的优缺点和适用条件进行了总结。未来胺法碳捕集系统胺气溶胶的排放控制应融入燃煤烟气末端减污降碳的全过程，从减少胺气溶胶的形成再到促进胺气溶胶的凝聚长大，最后实现多污染物的协同控制。
杨正大, 贤振楠, 邵凌宇, 郑成航. 胺法碳捕集过程胺气溶胶形成与排放研究现状[J]. 能源环境保护, 2023, 37(3): 195-203. DOI:10.20078/j.eep.20230407.YANG Zhengda, XIAN Zhennan, SHAO Lingyu, ZHENG Chenghang. Research status of amine aerosol formation and emission in amine carbon capture process[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(3): 195-203.DOI:10.20078/j.eep.20230407.
能源低碳转型风险及其应对策略——基于新型能源安全观的研究
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能源低碳转型已成为世界各国应对气候危机和推动可持续发展的重要途径。然而，已有的研究大多是基于能源供给或者需求安全等相对单一的维度对能源低碳转型的风险与挑战展开分析，这将导致转型风险识别不够全面。鉴于此，本文在梳理能源安全观内涵演进的基础上，构建了涵盖供需安全、技术安全、信息安全、市场安全和人才安全的新型能源安全观“五维”分析框架，系统阐述我国能源低碳转型面临的风险，进而提出应对策略，包括保障能源供给，强化供需安全；发挥煤电优势，提升技术安全；维护数据系统，保障信息安全；完善市场机制，维护市场安全；加大人才建设，重视人才安全。本文认为，以新型能源安全观引领能源低碳转型，对于推动我国“双碳”目标实现和高质量发展具有重大意义。
李程琳, 周云亨, 王福宁, 方恺. 能源低碳转型风险及其应对策略——基于新型能源安全观的研究[J].能源环境保护, 2023, 37(4): 46-55. DOI:10.20078/j.eep.20230703.LI Chenglin, ZHOU Yunheng, WANG Funing, FANG Kai. Risks and coping strategies for energy low-carbon transitions: Research based on the new concept of energy security[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(4): 46-55. DOI:10.20078/j.eep.20230703.
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二氧化碳还原制备高附加值化学品及燃料是实现零碳排放的重要技术手段，但如何高效、可持续地将二氧化碳转化为更高值的长链分子仍是巨大挑战。相较于传统热化学等技术手段，电催化还原可以在更温和条件下实现产物的高选择性，并且可与生物转化技术耦合，将短碳链分子转化为具有更高附加值的长碳链产物。本文系统综述了二氧化碳电还原过程中电极、催化剂、离子交换膜和电解质四个方面的研究现状，并探讨了影响其性能的关键因素。通过调整铜基催化剂的电子结构、表面结构和配位环境，可以有效强化碳-碳偶联反应，从而可显著提高安培级别的电流密度下C2+产物的法拉第效率。随后介绍了电还原二氧化碳耦合生物发酵延长碳链方面的研究进展，主要从原位耦合和异位耦合两个角度阐释了该耦合技术的优势与挑战。
张天宇, 何晓满, 章斐然, 解佳乐, 刘丽敏, 林日琛, 肖睿. 二氧化碳电催化耦合生化转化制备多碳产物研究进展[J].能源环境保护, 2023, 37(5): 159-173. DOI:10.20078/j.eep.20231002.ZHANG Tianyu, HE Xiaoman, ZHANG Feiran, XIE Jiale, LIU Limin, LIN Richen, XIAO Rui. Research progress on the production of multi-carbon products from CO2 by integrating electrochemical and microbial conversion[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(5): 159-173. DOI:10.20078/j.eep.20231002.
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中国作为当今全球碳排放最大的国家，工业碳排放量约占全国总碳排放量的68%。在碳排放总量和强度“双控”的新制度要求下，准确核算工业碳排放量具有重要意义。通过分析国内外碳排放总量和产品碳排放强度相关标准及其低碳数据平台建设情况发现，目前国内外碳排放总量核算标准大都基于《IPCC清单指南》;国外产品碳足迹相关标准已经建立，而国内发展相对滞后，大部分行业仍缺乏权威性产品碳足迹核算及评价标准；国内外碳排放数据平台及软件均缺乏覆盖工艺过程或工序的碳排放信息，且数据基本来源于文献报道或统计年鉴，本土化程度低，不能达到高精度和国际互认水平。基于对国内外标准体系、数据平台和软件的调研分析，本研究提出，亟需完善全链条低碳标准体系，建设多产业互联的行业低碳数据平台，并开发资源-环境-碳-经济多尺度评价软件，将企业/行业工艺过程与产品供应链碳排放数据深度融合，实现数据资源公开统筹应用，服务工业领域精准降碳与绿色、低碳等多目标协同发展。
刘铁牛, 郭少华, 张笛, 赵赫, 魏平, 李塔娜. 国内外工业碳排放数据平台建设现状与应用展望[J]. 能源环境保护, 2023, 37(4): 121-130. DOI:10.20078/j.eep.20030509.LIU Tieniu, GUO Shaohua, ZHANG Di, ZHAO He, WEI Ping, LI Tana. Current status and application prospects of industrial carbon emission data platforms at home and abroad[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(4): 121-130. DOI:10.20078/j.eep.20030509.
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中国建筑业的二氧化碳（CO2）排放量约占全国CO2排放总量的二分之一。由于各区域之间建筑业贸易频繁，明确区域减排责任对制定合理的减排政策至关重要。为厘清中国各区域建筑业CO2的排放情况与减排责任，提出了一种多区域投入产出模糊网络线性规划法（MFEP）,包括“三个模块”（投入产出、模糊处理、生态分析）和“五类评价指标”。该方法可以有效计算CO2转移量，并揭示区域之间转移的相互效用关系，以明确中国建筑业在不同区域间的CO2减排责任。研究结果表明：应降低对外贡献度较高的省份，如江苏（5.62）、浙江（6.20）等的减排目标，并增加对外依赖度高的省份，如天津（5.61）、河北（6.41）等的减排力度。此外，调整目前以石油为主的能源结构，并增加天然气等新能源的使用比例，可以抵消CO2转移带来的负面影响。此成果可为决策者制定建筑业减排政策提供科学参考和有力依据。
祝颖, 崔天浩, 谭纪聪, 李业鑫, 郭勇.中国30省份建筑业二氧化碳跨省转移研究[J]. 能源环境保护, 2023, 37(6): 156-166. DOI:10.20078/j.eep.20231106.ZHU Ying, CUI Tianhao, TAN Jicong, LI Yexin, GUO Yong. Inter-provincial transfer of carbon dioxide from construction industry in 30 provinces of China[J]. Energy Environmental Protection , 2023, 37(6): 156-166. DOI:10.20078/j.eep.20231106.
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《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。
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编辑｜姚情璐
审核｜金丽丽
