活化碳及其在通过减排减缓气候变化方面的作用

活化碳是一种碳加工,可以具有较高的表面面积,因此在吸收空气和水中的污染物方面非常有效。 它的独特性使它成为通过减少有害排放来减缓气候变化的有用工具。 在寻求遏制温室气体和有毒污染物的可伸缩实用解决方案的世界中,活化碳具有多功能、效率和与现有工业基础设施的兼容性。 本条扩展了活化碳是什么、如何发挥作用及其在减排、碳捕获和可持续环境管理方面日益扩大的作用。

什么是碳活化物?

活化碳是在限制氧环境下高温加热碳富材料如木材、煤、泥炭或椰壳产生的,这一过程称为碳化,然后通过暴露于氧化气体或化学品而活化,结果是内部面积很大(通常每克超过1,000平方米)的高度多孔材料,这种孔隙性使活化碳能够通过物理吸附和在某些情况下通过化学结合来困住多种分子。

其主要历史用途是水净化、空气过滤和溶剂回收和气体处理等工业工艺。 然而,最近的进展将活性碳定位为旨在减少大气排放和直接从工业点源捕获二氧化碳的技术中的一个关键组成部分。

如何激活创造概率

激活过程对于发展内部孔隙结构至关重要。

  • 物理活化: 碳化物在高温(800–1000°C)下用蒸汽,CO2或空气处理,这可以去除无组织碳原子,产生微孔.
  • 化学活化: 原料在碳化前与磷酸或氢氧化钾等化学物质浸润,从而产生更受控制的孔隙分布,且往往表面积较高.

产生的孔孔按大小分类:微孔(小于2纳米),中孔(2~50纳米),和大孔(大于50纳米). 每一个大小类对吸附性能的贡献不同. 微孔对捕捉挥发性有机化合物和CO2等小分子特别有效,而较大的孔孔孔则有利于更快的传播,可以容纳更大的污染物分子.

在减少排放方面的作用

活化碳在减少温室气体和污染物排放方面发挥着关键作用。

  • 利用工业排放的挥发性有机化合物,包括来自化工厂、油漆制造和印刷设施的排放。
  • 过滤车辆和工厂中的废气,包括柴油颗粒滤波器和工业洗涤器.
  • 通常通过吸附法,从碳捕获和储存系统中清除烟气中的二氧化碳。
  • 控制燃煤发电厂的汞排放,这是这种神经毒性污染物的重要全球来源。
  • 将硫化氢、氨和醛等其他有毒气体困在工业环境和室内环境中。

碳捕获和储存中的活化碳

活性碳在气候缓解中最有希望的应用之一是在CO2吸附中的应用. 与需要高能量再生的氨基除尘器不同,活性碳可以在近环境温度下捕获CO2,并通过相对温和的温度摆动或压力摆动释放出来,这一过程被称为温度摆动吸附(TSA)或压力摆动吸附(PSA).

研究人员是设计孔径和表面化学的活性碳,以提高二氧化碳的选择性和能力,例如,用含氮组组进行活性碳的喷洒可以增强对二氧化碳分子的亲和性,这些经过改造的活性碳正在水泥窑和钢厂附属的试验工厂中试验,这是两个最难于吸收的工业部门。 国际能源机构强调了吸收技术在未来二氧化碳捕获和储存部署中的作用。

汞和重金属的去除

燃煤发电厂仍然是汞排放的主要来源,活性碳注入是现在汞控制的一项既定技术,粉末活性碳注入烟气流,吸附其中的元素汞和氧化汞种类,然后在袋屋或静电喷发器等微粒控制装置中捕获碳,根据美国环境保护局[,如果与适当的烟气调节相结合,烟气排放中心可以实现90%以上的汞清除效率。

除了汞之外,活性碳还可以去除工业废水和烟气凝聚物中的其他重金属,如砷,硒,铅,防止它们排放到环境中.

使用活性碳的好处

使用活性碳在应对气候变化方面提供了若干好处:

  • 高效:其多孔的结构允许在低浓度有效捕捉污染物,通常使目标化合物的清除率超过95%。
  • 可靠性: 适用于各种工业应用和环境环境,从大型发电厂到便携式空气净化器和水过滤器。
  • 续用性: 可以从椰子壳,木材废物,农业残留等可再生资源中产生,减少其自身生产的碳足迹.
  • 再生性: 废旧活性碳往往可以通过热或化学过程再生,恢复其大部分吸附能力并减少废物.
  • 无有害副产品: 与一些化学洗涤器不同,活性碳只是将污染物陷阱,而不是将其转化为其他危险化合物.

生命周期和可持续性考虑

碳活性本身对环境的影响必须加以考虑,煤或泥炭的生产由于采矿和高温加工而具有很大的碳足迹,但是,使用椰子壳或竹子等生物物质原料,如果原料能够可持续地来源,则可以产生净负碳平衡,此外,低温活性化和微波辅助碳化的进展正在降低能源需求。

重生是另一个可持续性因素。 旋转窑的热再生可以回收90%的原始吸附能力,尽管它消耗能量并造成一些物质损失。 研究人员正在探索电化学和生物再生方法,以进一步减少能源使用。

挑战与未来方向

尽管具有优势,但广泛采用活性碳减排仍面临挑战,包括生产成本、废碳再生和技术改进的必要性。 目前高质量的活性碳的市场价格从每吨1,500美元到5,000美元不等,取决于品位和原料。 对于大规模碳捕获应用,必须大幅降低这一成本,以便与诸如矿井洗涤或膜分离等替代品竞争。

另一个挑战是二氧化碳活性碳相对于氮气和水蒸气等其他烟气成分的选择性。 尽管修改可以改善选择性,但在现实世界条件下(含水分和微量污染物)的表现仍然是积极研究的领域。

未来的研究侧重于开发更可持续和成本效益更高的活性碳,并将它们纳入更大的气候缓解战略。

政策和经济驱动因素

政府奖励和碳定价机制正在加速部署基于活性碳的排放控制技术,例如,美国碳捕获45Q税额减免每吨二氧化碳捕获和储存可达85美元。 当与出售活性碳用于其他用途(如水处理)的收入相结合时,经济学就更加有利。 气专委第六次评估报告[ 确定碳清除技术对实现净零目标至关重要,活性碳在所述的若干路径中发挥作用。

结论

碳活化是减少有害排放和应对气候变化的有力工具。 碳活化在工业过程、空气净化和碳捕获技术中吸收污染物的能力使得碳活化物至关重要。 从在发电厂捕获挥发物和汞到直接捕获二氧化碳,材料的多用途和经证实的性能使它成为现代环境工程的基石。 原料来源、激活方法和再生技术的持续创新将进一步加强其作用。 碳活化物应用的投资在健全的政策和市场机制的支持下,可以极大地促进全球努力限制气候变化影响和保护公共健康。