徐運飛，李英杰，王 濤，雷文濤

(1.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.山東納鑫電力科技有限公司，山東 濟南 250101)

0 引 言

隨著工業(yè)化的推進，化石燃料大量開發(fā)利用，CO2等溫室氣體大量排放造成的全球氣候變化是21世紀以來人類面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一,世界各國對控制和減少碳排放已達成共識[1]。煤炭是我國能源消耗的主體，煤氣化或煤燃燒發(fā)電技術的飛速發(fā)展已成為社會發(fā)展不可缺少的推動力，但能源消耗與CO2排放等環(huán)境問題日益突出。因此將煤氣化或燃燒發(fā)電系統(tǒng)與CCUS技術結合，可在獲得高效率的同時有效減少CO2排放，為煤發(fā)電技術提供新的發(fā)展方向[2]。CCUS技術主要是指將CO2從化石燃料、工業(yè)流程或火電廠的排放廢氣中分離出，運輸?shù)教囟ǖ攸c加以利用或封存，以實現(xiàn)被捕集CO2與大氣的長期隔離[3]。

利用固體吸附劑捕集CO2是CCUS技術中常用的方法。固體吸附劑主要分為：低溫固體吸附劑(如固體胺、沸石等[4])、中溫固體吸附劑(如類水滑石衍生物(LDH)、MgO等[5])、高溫固體吸附劑(如CaO基材料等[6])。MgO具有理論CO2吸附能力高、無毒性、成本低、工作溫度范圍寬和再生溫度相對較低等優(yōu)點，因而具有較大工業(yè)應用潛力。MgO可在200～400 ℃內捕集CO2，在450～500 ℃再生[7-8]。本文對MgO吸附劑捕集CO2研究進行了總結，介紹了MgO吸附CO2的性能變化，分析總結了提高MgO吸附劑捕集CO2性能的方法，并對MgO捕集CO2技術進行了總結及展望。

1 MgO基材料吸附CO2特性

MgO捕集CO2反應主要以化學吸附為主，CO2與MgO在200～400 ℃下發(fā)生化學反應，生成MgCO3。MgCO3在450～500 ℃下逆向脫附再生成MgO和CO2。具體吸附再生反應式如下：

(1)

(2)

MgO的理論CO2吸附容量達24.8 mmol/g，但純MgO的實際CO2吸附量很低(0.5 mmol/g)，因此限制了其大規(guī)模工業(yè)應用[8]。MgO吸附CO2性能大小主要取決于MgO表面氧離子的配位狀態(tài)，通常位于晶格邊緣、角落處的氧離子有較高堿性，為吸附CO2的活性位點[9]。MgO較低的CO2吸附量一方面是由于常規(guī)MgO比表面積較小，表面堿性位密度較低，堿性位點暴露少[10]。另一方面，MgO吸附CO2后表面形成的碳酸鹽鈍化層覆蓋鄰近堿性位點，阻礙了CO2進一步被MgO吸附[11]。由于MgO的強晶格焓和來自碳酸鹽產物層的擴散阻力產生的高反應勢壘，使得碳酸化反應緩慢，從而使CO2吸收量非常低[12]。因此有必要提高常規(guī)MgO對CO2的吸附能力。

用于工業(yè)捕集CO2的固體吸附材料，需研究其吸附CO2性能，另外再生能耗也是制約其大規(guī)模應用的重要因素，較高的再生溫度要求輸入更高熱量以及更多昂貴設備與過程匹配，使成本增加[13]。MgO因其再生能耗低、材料成本低等優(yōu)點，是工業(yè)CO2捕集中極具潛力的吸附劑材料。Kumar等[13]總結比較了不同固體吸附劑的CO2吸附性能，討論了常用固體吸附劑(如鋰基吸附劑Li4SiO4，鈣基吸附劑CaO、MgO等)的循環(huán)吸附CO2性能。不同于鋰基、鈣基等較高再生溫度(800 ℃以上)，MgO再生通常在450 ℃時即可發(fā)生。過高的再生溫度導致吸附材料嚴重燒結，使吸附材料活性降低，循環(huán)穩(wěn)定性差。Hwang等[14]研究了壓力0.1～3.0 MPa內堿金屬硝酸鹽改性下MgO的CO2吸附解吸特性，并利用程序升溫解吸(TPD)研究了再生過程中氣體組成對MgO再生性能的影響，結果表明，再生溫度升高會導致能耗增加。在純N2條件下，最佳再生溫度約為430 ℃，MgO吸附CO2量能達15.4 mmol/g。MgO再生過程采用100% CO2作為再生氣氛時，所需再生溫度升到620 ℃。

在工業(yè)CO2捕集過程中，由于MgO粉末粒徑分布不均或因磨損和破碎而產生的小粒徑粉末顆粒，在應用于流化床反應器時極易逸出反應器，造成吸附劑材料的浪費及設備的損壞；此外造粒后的MgO吸附劑在循環(huán)工作后由于碰撞等原因會造成顆粒破碎[15]，因此有必要研究吸附性能及機械性能高的MgO造粒工藝。張鈺偉等[16]采用濕式混合法制備了NaNO3/NaNO2摻雜的MgO吸附劑，并對其進行擠壓-滾圓造粒，發(fā)現(xiàn)該成型球粒MgO的CO2吸附性能較優(yōu)異，吸附溫度為340 ℃、100% CO2時，CO2吸附量最大達15 mmol/g，經10次循環(huán)后仍保持較高的CO2吸附量(8.18 mmol/g)。陳林等[17]以CMC(羧甲基纖維素鈉)為黏結劑制備了柱狀MgO顆粒吸附劑，結果表明，煅燒溫度為500 ℃、CMC添加量為20%時，MgO顆粒具有最高比表面積和機械強度，50 ℃、常壓下的CO2吸附量可達 0.57 mmol/g。Jin等[18]制備了摻雜LiNO3/KNO3/Na2CO3的MgO混合溶液，并采用油包水法合成了粒徑幾百微米的MgO球形顆粒，研究了造粒后的MgO吸附CO2性能，結果顯示，在300 ℃、純CO2吸附條件下，10次循環(huán)后MgO球粒具有穩(wěn)定CO2吸附量，為5.2 mmol/g。

在流化床系統(tǒng)中，除了要提高造粒后MgO吸附劑的CO2吸附性能，還需提高造粒材料的機械強度，以更適合工業(yè)應用。Hu等[19]利用擠出-滾圓法對NaNO3或Na2CO3摻雜的復合MgO吸附劑進行造粒，研究了造粒后MgO顆粒的機械強度(如抗壓強度、顆粒磨損度)和CO2吸附性能，研究結果表明，造粒后MgO顆粒具有良好的機械性能：較高抗壓強度(顆?？箟悍逯荡笥? MPa)以及較低磨損消耗(質量損失平均值小于4%)。此外由于加入堿金屬鹽摻雜劑，其造粒后MgO顆粒具有較大的比表面積，因此在循環(huán)吸附/再生過程中，造粒后MgO比粉末MgO具有更穩(wěn)定CO2吸附性能，但造粒后MgO反應速率比粉末低。

MgO吸附劑可用于燃燒前CO2捕集，如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)。圖1為MgO吸附劑用于IGCC電廠示意，該電廠的合成氣溫度為250～450 ℃，常用MgO吸附劑將合成氣中的CO2與H2分離，剩下高濃度H2用于燃燒或燃料電池發(fā)電[20]。MgO吸附劑除了用于合成氣CO2分離，還用于吸附增強水煤氣變換反應(SEWGS)來提升H2產量[21]。通過MgO對CO2的吸附，打破反應平衡，使反應向正向進行的程度加大，從而H2產量增加。圖2為MgO用于SEWGS反應提升H2產量的示意[22]。Abbasi等[23]在高壓填充床裝置中模擬了MgO吸附劑在預燃燒合成氣環(huán)境中的CO2吸附性能，結果表明，MgO吸附劑在水煤氣轉化(WGS)反應中的CO2吸附量達2.9 mmol/g，這可使WGS反應轉化率增至40%，可認為通過MgO吸收CO2顯著提升了H2產量。Hu等[24]利用硝酸鹽和碳酸鹽摻雜的復合MgO吸附劑對WGS反應中產生的CO2進行原位脫除，摻雜堿金屬的MgO吸附劑具有優(yōu)異的CO2吸附性能，該吸附劑用于SEWGS反應過程中可產生純度約99.5%的H2(反應條件為300 ℃、1.216 MPa、水蒸氣與碳比值為1.5)。

圖1 IGCC發(fā)電廠的MgO捕集CO2示意[20]

圖2 MgO用于SEWGS反應提升H2產量的示意[22]

MgO吸附劑除了用于燃煤電站捕集CO2，還可用于凈化環(huán)境吸附CO2。Halawy等[25]為監(jiān)測實驗室內CO2污染水平，利用聲化學法制備的納米MgO吸附劑對學校有機化學實驗室內的CO2進行吸附。將制備的納米MgO暴露于17～19 ℃室內環(huán)境中，采用熱重分析儀對吸附過程實時監(jiān)測，結果表明，56 d后，MgO吸附環(huán)境CO2量為7.9 mmol/g，并在500 ℃、純N2下對此時的MgO樣品煅燒后，通入純CO2流，發(fā)現(xiàn)MgO材料仍有較高CO2吸附性能。

2 微觀結構優(yōu)化MgO的CO2吸附性能

優(yōu)化MgO微觀結構，可顯著提高其比表面積，獲得發(fā)達的孔隙結構，使MgO表面具有豐富且暴露的堿性吸附位點。常用的通過優(yōu)化MgO微觀結構提高CO2吸附性能的方法有：從不同前驅體制備獲得MgO；將MgO負載在多孔載體上；添加金屬氧化物制備MgO復合材料。

2.1 源于多類型前驅體MgO

與純MgO較低的CO2吸附容量相比，從天然含鎂礦物(如菱鎂礦、水菱鎂礦、水鎂石)制得MgO的CO2吸附性能更高。Guo等[26]研究了通過煅燒含鎂礦物制得MgO的CO2吸附性能，發(fā)現(xiàn)200 ℃時，由水菱鎂礦和水鎂石分別煅燒制得的MgO吸附劑的CO2吸附量較高(分別為1.73 mmol/g和1.67 mmol/g)，且10次循環(huán)后吸附量僅分別降低了5.65%和5.33%，這主要是由于天然含鎂礦物煅燒后具有較發(fā)達孔隙結構，降低了CO2在產物層的擴散阻力，提升了CO2吸附容量。除了天然含鎂礦物外，成本低廉的MgO基工業(yè)廢棄物也被用作MgO前驅體來捕集CO2。菱鎂礦渣是菱鎂礦冶煉過程中通過硅熱還原法獲得金屬鎂的一種廢料。Yang等[27]通過煅燒菱鎂礦渣得到MgO吸附劑，研究了濕煙氣中MgO對CO2的捕集能力，結果表明：通過煅燒廢渣得到的MgO最大CO2吸附量為3.01 mmol/g，8次循環(huán)后降至2.18 mmol/g，其吸附性能明顯優(yōu)于菱鎂礦(CO2吸附量為1.82 mmol/g)。因此利用菱鎂礦渣捕集CO2不僅可減少溫室氣體CO2排放，還可綜合利用工業(yè)廢渣。

Alkadhem等[28]以硝酸鎂和氫氧化銨為原料，采用溶膠-凝膠法制備了多孔MgO，其比表面積高達350 m2/g，CO2吸附量為0.68 mmol/g(常壓，30 ℃)。多孔MgO與APEST(3-氨基丙基-三乙氧基硅烷)功能化后的CO2吸附量增至1.47 mmol/g。胺官能化MgO吸附劑表現(xiàn)出高CO2捕集性能和理想的吸附選擇性，但其熱穩(wěn)定性和機械性能需進一步提高。Tan等[29]研究表明，在不同溫度和氣氛下煅燒草酸鎂制得MgO的CO2吸附性能不同，研究認為草酸鎂在較高或較低溫度下煅燒都不利于MgO吸附CO2，草酸鎂在較低溫度下煅燒很難完全分解形成多孔結構，因此制備的MgO可用于CO2吸附的堿性活性位點有限；而在較高溫度下煅燒草酸鎂將導致MgO晶體燒結、孔隙結構堵塞和堿性活性位點損失。草酸鎂在500 ℃、CO2氣氛下煅燒時，制得的MgO具有最大CO2吸附量，為5.09 mmol/g。Guo等[30]以六水氯化鎂為前驅體，采用不同合成方法制備MgO，研究該MgO微觀結構與CO2吸附性能之間的關系，結果表明，用固態(tài)化學反應法制備的MgO材料具有發(fā)達的孔隙結構(比表面積和比孔容分別為100.03 m2/g和0.67 cm3/g)、較好表面形態(tài)(具有較低的層擴散阻力的片狀結構)和較高CO2吸附能力(2.39 mmol/g)，這是由于固態(tài)化學反應法賦予MgO豐富的表面堿性活性位，強化了CO2吸附。

表1為通過多種前驅體類型制備MgO的CO2吸附性能。通過不同前驅體制備MgO的CO2吸附性能均有所提高。Guo等[31]研究認為，通過前驅體改性方法能提高MgO的CO2吸附性能，主要是因為前驅體在煅燒制備MgO過程中會釋放氣相產物，在吸附劑內部形成疏松多孔結構，從而有效改善MgO吸附劑微觀結構、表觀形貌以及活性位點。

表1 多種前驅體制備MgO的CO2吸附性能

2.2 MgO負載多孔載體

常用的多孔載體材料通常具有發(fā)達孔隙和較大比表面積，可使MgO較好地分散，使MgO表面暴露更多的堿性吸附位點。Burri等[34]通過浸漬法將MgO負載在介孔碳上，結果表明，MgO負載量為10%時，在25 ℃、常壓條件下，MgO/介孔碳復合材料的CO2吸附量達1.68 mmol/g。Chen等[35]通過固相分散法將MgO負載在多孔活性炭上，制備的多孔復合材料MgO/C具有大比表面積(1 450 m2/g)和優(yōu)異的CO2吸附容量(3.1 mmol/g)。Guo等[36]研究了將MgO負載在蔗渣、咖啡渣、稻殼和鋸末等生物質廢料上的CO2吸附性能，結果表明，稻殼灰負載的樣品具有最高的CO2吸附能力，MgO負載量為20%時，在10% CO2、200 ℃吸附條件下，CO2吸附量為4.56 mmol/g，且10次循環(huán)后的吸附量僅下降7.68%。該研究為制備高性能MgO吸附劑節(jié)約了成本，實現(xiàn)了廢棄資源的價值化。

Li等[37]通過含鎂金屬-有機絡合物的簡單熱解，制備了具有分級結構的MgO/C多孔納米復合材料，在27 ℃和0.1 MPa CO2下的CO2吸附能力為0.67 mmo/g。圖3為利用透射電子顯微鏡(TEM，圖3(a)～(c))、高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM，圖3(d))和能量色散X射線熒光光譜儀(EDX，圖3(e))得到的MgO/C復合材料的微觀結構圖像。發(fā)現(xiàn)該復合材料具有由超薄納米片結構單元構成的花瓣形分級結構，此結構單元上具有高度分散的超細MgO納米粒子，使其具有較大比表面積、較高比孔容和較小的MgO納米晶體，因此可提供更多的活性吸附位點，促進CO2氣體擴散，增加CO2吸附量。

圖3 MgO/C復合材料的微觀結構[37]

Lugai等[38]制備了一種MgO/C納米纖維-陶瓷多孔復合材料，先將碳納米纖維涂覆在宏觀陶瓷基載體上，再將MgO納米粒子高度分散在多孔復合材料上。多孔陶瓷提供了一種高比表面積的負載基底，碳納米纖維起到結構促進劑作用，穩(wěn)定了MgO納米顆粒的分散性，復合材料在0.1 MPa、94 ℃下具有較高CO2吸附量，為4.9 mmol/g。將MgO負載在金屬氧化物上也是一種提高MgO吸附CO2性能的方法。Hanif等[39]將MgO分別負載在有序介孔SiO2和納米纖維狀SiO2上，在0.1 MPa、200 ℃下，由于納米纖維SiO2具有非常高的熱穩(wěn)定性和結構完整性，復合材料在7次循環(huán)后保持穩(wěn)定CO2吸附能力(達1.7 mmol/g)。

2.3 添加金屬氧化物制備的MgO復合材料

Jin等[40]采用溶膠-凝膠燃燒法制備MgO-CeO2復合材料，研究20次循環(huán)的吸附性能，結果表明，添加5% CeO2時，MgO-CeO2復合材料具有較高的比表面積，達330 m2/g，CO2吸附容量達0.24 mmol/g；此外，該MgO-CeO2復合材料也顯示了較高吸附速率，3 min內達到CO2最大吸附量的70%。Chen等[41]采用醋酸鎂和醋酸亞鐵合成了FeO-MgO復合材料，F(xiàn)eO添加量為3%時，復合材料為7 nm的納米顆粒，具有較大的比表面積(176 m2/g)，F(xiàn)eO-MgO復合材料的CO2吸附容量達0.875 mmol/g(吸附條件：200 ℃、100% CO2)，這歸因于FeO使復合材料具有較大的比表面積，增加了吸附材料表面堿性位點，使CO2吸附容量增加。

Kwak等[42]通過在Na2CO3-MgO上添加金屬氧化物分散劑ZrO2，促進了MgO復合材料的CO2吸附性能，并提高了循環(huán)穩(wěn)定性，K∶Mg∶Zr=0.3∶1∶0.6時，在330 ℃、純CO2吸附條件下，MgO復合材料吸附CO2的轉化率能達到理論CO2吸附值的73%；10次循環(huán)后CO2吸附量僅下降了4%。這主要是因為ZrO2使MgO復合材料的比表面積顯著增加，Na2CO3在該表面上分布廣泛且均勻，使大多數(shù)MgO與Na2CO3促進劑接觸，活性吸附位點增加，進而提高了CO2吸附能力及循環(huán)穩(wěn)定性。

Al2O3常作惰性支撐載體來提高MgO的CO2吸附性能，因其具有較高的塔曼溫度，在多次循環(huán)吸附解吸CO2時可有效改善MgO燒結現(xiàn)象，另外，Al2O3材料具有發(fā)達的孔隙結構和較大比表面積，使混合Al2O3后MgO更易暴露出較多的CO2吸附位點[21]。

表2為Al2O3/MgO復合材料的最大CO2吸附量?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比于純MgO吸附劑，摻雜Al2O3后MgO復合材料表現(xiàn)出相對較高CO2吸附量。此外吸附條件(如溫度、反應氣氛等)對Al2O3/MgO復合材料也有重要影響，吸附溫度升高及加入水蒸氣均有利于提高Al2O3/MgO復合材料的CO2吸收量。Han等[43]利用共沉淀法制備的Al2O3-MgO復合吸附劑在Al/Mg摩爾比為1時，比表面積為177 m2/g，孔容約為0.45 cm3/g；在200 ℃、10% CO2和10% H2O條件下，該復合材料的CO2吸附量為3.02 mmol/g。Li等[44]采用濕法浸漬法將K2CO3負載在Al2O3/MgO復合材料上制備一系列新型KMgAl吸附劑，30次循環(huán)后該吸附劑仍具有穩(wěn)定的CO2吸附性能，為2.4 mmol/g(吸附條件：60 ℃、10% CO2和12% H2O；再生條件：480 ℃)。Jeon等[45]研究了添加Al2O3和共晶堿金屬鹽制備的MgO復合材料(EM-MgO-Al2O3)的CO2吸附性能，結果表明，Mg/Al=5時，在300 ℃、純CO2吸附條件下，MgO復合材料達到較高的CO2吸附容量，為2.95 mmol/g，這主要是因為Al2O3作為惰性支撐載體，使MgO的孔隙結構更發(fā)達，減少了MgCO3層團聚，從而增加了CO2吸附容量。

表2 摻雜Al2O3的MgO復合材料CO2吸附量

Li等[51]添加Cu制備了MgO復合材料，200 ℃時，MgO-Cu復合材料的CO2吸附量達0.78 mmol/g。這主要是因為在合成復合材料過程中CuO還原為Cu伴隨著納米粒子的體積收縮，使更多MgO活性位點暴露出與CO2接觸，從而提高MgO的CO2吸附性能。Hiremath等[52]研究了添加TiO2制備的MgO復合物的CO2吸附性能，發(fā)現(xiàn)TiO2引入到MgO中可產生Mg-O-Ti離子對，形成不同價態(tài)Ti離子的鈦酸鎂相，使MgO復合材料除了具有較高的比表面積和孔容，還使材料表面產生更多的高強度堿性位點，在200 ℃、純CO2時，TiO2-MgO復合材料(Mg/Ti摩爾比為3)的CO2吸附量為1 mmol/g。

3 熔鹽改性的MgO

Harada等[53]研究了通過添加硝酸鹽/亞硝酸鹽改性的MgO吸附劑的CO2吸附性能，其CO2吸附容量高達15.7 mmol/g，因此通過熔鹽改性可顯著提高MgO吸附CO2的性能。

3.1 單一熔鹽改性的MgO

Vu等[54]采用四步煅燒法合成KNO3改性MgO復合吸附劑，結果表明，該復合材料在325 ℃下表現(xiàn)出3.16 mmol/g的高CO2吸附能力，認為較高的CO2吸附能力是因為在該吸附溫度下，堿金屬鹽KNO3處于熔融態(tài)覆蓋在MgO吸附表面，在MgO吸附CO2的過程中為CO2的快速擴散提供了一個液體“通道”。Gao等[55]研究了堿金屬硝酸/亞硝酸鹽改性MgO的CO2吸附性能，發(fā)現(xiàn)NaNO3改性MgO在350 ℃時取得最高的CO2吸附性能，達17.0 mmol/g。Liu等[56]添加堿金屬碳酸鹽Cs2CO3制備了MgO復合材料，發(fā)現(xiàn)Cs2CO3添加量為15%時，MgO復合材料的CO2吸附量為1.9 mmol/g(吸附條件：300 ℃、常壓、純CO2)，認為堿金屬鹽Cs2CO3的作用有：① Cs2CO3在一定溫度下達到熔融態(tài)，覆蓋在MgO表面產生了更多的鎂離子與氧離子；② 部分Cs2CO3作為反應物參與到MgO吸附CO2的反應中，產生Mg-Cs碳酸鹽中間相，該反應活化能相比于MgO吸附CO2活化能低，因此促進了MgO復合材料對CO2的吸附。

3.2 混合熔鹽改性的MgO

Pozzo等[57]研究了多種硝酸鹽(LiNO3、KNO3、NaNO3)改性MgO的CO2吸附性能及循環(huán)穩(wěn)定性，揭示了混合硝酸鹽增強MgO吸附性能的作用機制。圖4為混合熔融硝酸鹽在MgO吸附CO2中的作用機理?；旌舷跛猁}在一定溫度下會形成熔融態(tài)覆蓋在MgO表面，使大部分MgO溶解以自由離子對(Mg2+-O2-)形式存在，降低了MgO的晶格能，進而與CO2反應形成MgCO3，在脫附溫度下MgCO3會脫附再生MgO，隨著循環(huán)次數(shù)的增加覆蓋在MgO表面的堿金屬鹽分離分散開，且MgO表面有燒結現(xiàn)象，從而導致CO2吸附量下降。共晶混合熔融鹽的熔點溫度比單一熔鹽熔點溫度低，有利于進一步提高MgO的CO2吸附性能。

圖4 混合硝酸鹽改性下的MgO吸附CO2的機理[57]

Ding等[58]通過沉積混合堿金屬硝酸鹽和碳酸鹽合成了一系列MgO基吸附劑，結果表明，按一定比例添加KNO3、LiNO3、Na2CO3、K2CO3時，MgO復合吸附劑的最大CO2吸附量達19.06 mmol/g，經30次循環(huán)后，CO2吸附量僅降到15.7 mmol/g，具有良好的長期吸附/解吸穩(wěn)定性。Wang等[59]采用不同的前驅體和沉淀劑，通過不同方法制備出不同形貌的MgO樣品，再采用濕法浸漬方法，用三元硝酸鹽(LiNO3、KNO3、NaNO3)對MgO進行改性。結果表明，當前驅體為六水硝酸鎂、碳酸鉀為沉淀劑時，制備的MgO呈比表面積最大的棒狀形貌，在30 min內CO2吸附性量達10.48 mmol/g，最大CO2吸附量為13.45 mmol/g。

盡管堿金屬鹽改性MgO的CO2吸附容量顯著提高，但其吸附動力學緩慢且循環(huán)穩(wěn)定性差，因此需制備高吸附速率及循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異的MgO材料。柳春杰等[60]研究了添加CaCO3對堿金屬鹽改性MgO吸附CO2性能的影響，CaCO3添加量為3%時，MgO復合材料的初次CO2吸附量達14.3 mmol/g(吸附條件：40% CO2、350 ℃)，20次循環(huán)后，CO2吸附量仍可達11.3 mmol/g。這是因為CaCO3在一定程度上限制了堿金屬鹽在高溫下的流動，使堿金屬鹽有效分散在MgO表面，進而提高了MgO吸附劑的循環(huán)穩(wěn)定性。Cui等[61]將堿土金屬碳酸鹽(CaCO3、BaCO3或SrCO3)加入混合堿金屬鹽(AMS)改性MgO復合材料，可以改善MgO吸附劑在多次吸附/解吸循環(huán)中的CO2捕集性能，明顯提高CO2吸附速率。堿土金屬碳酸鹽添加量為10%時，在350 ℃、純CO2下吸附，400 ℃、純N2下解吸，20次循環(huán)后，CaCO3-AMS-MgO、BaCO3-AMS-MgO和SrCO3-AMS-MgO三種復合吸附材料的CO2吸附量分別為10.9、9.5、11.1 mmol/g，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(初次CO2吸附量分別為11.5、9.8、11.1 mmol/g)。認為部分CaCO3或BaCO3、MgO在熔融AMS中溶解，引入CO2后快速反應生成CaMg(CO3)2或BaMg(CO3)2，吸附速率增加。SrCO3不參與反應，作為惰性穩(wěn)定劑可緩解MgO燒結，因此添加SrCO3的MgO復合材料比其他2種材料具有更高的循環(huán)穩(wěn)定性。

反應條件對混合熔鹽改性MgO的CO2吸附性能有一定影響。王磊等[62]研究了吸附溫度和CO2分壓力對混合堿金屬硝酸鹽和碳酸鹽改性MgO的CO2吸附性能的影響。發(fā)現(xiàn)溫度相同時，MgO的CO2吸附量隨著CO2分壓增加而提高；CO2分壓相同時，隨著吸附溫度的增加，CO2吸附量先升高后降低。CO2分壓為81.06 kPa、吸附溫度為360 ℃時，改性MgO的CO2吸附量最大為11.8 mmol/g。Qiao等[63]研究了煅燒溫度(300～600 ℃)對混合硝酸鹽改性MgO吸附CO2性能的影響。結果表明，當堿金屬硝酸鹽添加量為10%、吸附溫度為300 ℃，隨煅燒溫度升高，CO2吸附性能先提高后下降，煅燒溫度為450 ℃時，吸附量最高為16.75 mmol/g。

表3為熔鹽改性MgO的CO2吸附量?？梢钥闯觯诜磻獥l件、熔鹽種類等不同條件下，混合熔鹽改性并不一定比單一熔鹽改性下的MgO吸附CO2性能差，混合硝酸鹽和碳酸鹽比混合多種硝酸鹽改性MgO的CO2吸附效果要好。盡管通過不同堿金屬鹽改性MgO的CO2吸附容量都有所提高，但不同的熔鹽改性效果不同，且作用機理不同，目前對熔鹽改性MgO的作用機理沒有唯一確定的解釋。相比優(yōu)化MgO微觀結構、提升其比表面積的方法，熔鹽改性能顯著提高MgO吸附CO2的性能。

表3 熔鹽改性下MgO的CO2吸附性能

4 結語與展望

CO2捕集、利用與儲存技術(CCUS)被認為是一種能有效減少碳排放的技術。MgO吸附劑以其較高的理論CO2吸附容量及優(yōu)越的物理化學特性被認為是具有良好應用前景的CO2吸附材料。本文綜述了近年來 MgO的成型造粒研究及提高MgO吸附CO2性能方法。雖然前期大量研究證明MgO在捕集CO2方面具備巨大優(yōu)勢，但仍存在一些問題，另外研究MgO最終目的是將其用于實際工業(yè)應用解決CO2排放問題。基于此未來MgO吸附劑捕集CO2的研究重點關注：

1)目前CO2吸附劑仍停留在實驗室研發(fā)階段，尚未大規(guī)模工業(yè)應用，未來研究需要在實際應用中所遇到的測試條件下評估MgO捕集CO2的性能,如有的電廠排放煙氣中CO2濃度低和含有多種雜質氣體，這些實際條件與目前實驗室研究的溫和測試條件不同；另外目前應用于MgO吸附CO2性能測試的循環(huán)周期數(shù)不多，在實際設備和條件下需對MgO進行長周期循環(huán)測試。未來研究仍需重點關注MgO成型造粒技術，其中要以制備具有優(yōu)異機械性能及化學吸附性能的MgO吸附劑為目標。

2)對于MgO捕集CO2技術，應重點關注針對不同工業(yè)應用設計不同循環(huán)系統(tǒng)，并將這些系統(tǒng)與現(xiàn)有工業(yè)過程集成。此外除考慮設計最優(yōu)系統(tǒng)外，還應考慮原料成本、制造工藝成本、優(yōu)化工藝成本、能源消耗等經濟環(huán)境因素。因此未來研究應該以簡易高效、低成本、綠色環(huán)保為路線開發(fā)MgO吸附劑。