温室气体与气候变化是当前全球变化研究的核心问题之一。温室气体主要有水汽、CO2、CH4、N2O、O3、氯氟烃等。它们在大气中性质稳定，留存时间长，几乎吸收地面发出的所有长波辐射，并将其中的一部分再反射到地球表面，从而维持着地球表面温暖舒适的温度。温室效应主要是因为人类活动增加了温室气体的数量和品种，使本应返还给宇宙空间的热量下降，从而使地球变暖。CO2是引起温室效应的主要气体之一，同时也是一种潜在的碳资源。大气中的CO2主要是使用化石燃料等工业过程、生物物质燃烧及动物新陈代谢的产物。19世纪前大气中CO2的质量浓度保持在550mg/m3，2000年时达到了722.9 mg/m3，2004年增至746.4 mg/m3，按此速度推算，预计到21世纪末，CO2的含量将翻倍。根据美国能源部的预测，在全球范围内必须减少60%的CO2排放才能真正防止气候变化。
目前，要求我国减排CO2的国际压力和环境压力越来越大，而且温室气体的减排直接影响到一个时期国民经济的发展，因此，我国必须保持适当的减排率，充分发挥科技进步在经济发展和气候保护方面的作用，以技术创新控制CO2的排放。同时，CO2作为化工原料、致冷剂、油田增产剂、惰性介质、溶剂和压力源等在国民经济各部门有着广泛的用途。为了保护环境和充分利用资源，各国科学家都开始了CO2的减排和利用的研究工作。 1 CO2的特性、来源及吸附过程
CO2在通常情况下是五色无臭，略带酸味的气体，熔点－56.2℃，正常升华点－78.5℃，在常温下加压到7.4×106Pa就变成液态，将液态CO2的温度继续降低会变成雪花状的固体CO2。产生CO2的主要工业生产部门有石油化工、水泥、发酵、钢铁和电力等企业。据统计，在2000年煤的燃烧产生的CO2就占到所有化石燃料的37.8%，而燃煤电厂主要以烟道气将CO2释放到大气中。从电厂排放的烟道气中
通常含有13% CO2、73% N2，10% HO2、3% O2和少于1%的各种污染物质。烟道气的温度因所在煤炉的位置不同在几百至上千摄氏度之间变化，一般都在350℃以上。电厂烟道气是CO2长期稳定集中的排放源，因此，由电厂烟道气中回收CO2不仅是减排的最直接有效的手段，同时还能通过副产CO2降低减排成本。然而由于电厂烟道气的气体流量大、出口温度高、CO2分压低等特点，使现有的溶剂吸收法等回收工艺成本大大提高。
目前CO2分离方法主要有溶剂吸收法、吸附法、膜分离以及这些方法的组合应用。CO2的吸收溶剂主要包括含有缩硫醇作为氧化控制剂的烷醇胺，以及含有烷基哌嗪的甲基二乙醇胺、二烃基碳酸酯、聚乙二醇二甲醚、单-硅烷基-烷基胺、正丙醇胺、吗啉衍生物等。化学吸收溶剂对气体有较好的吸收效果，但却难以推广，因为溶剂再生时需加热，能耗大，而且还存在污染空气、易氧化降解、对设备腐蚀严重等缺点。用于CO2气体分离的膜大多为乙酸纤维、聚砜、聚酰胺等，膜本身或膜组件的其他材料耐热性能差，150℃是其操作温度的上限。最近也有一些硅石、沸石和碳素无机膜的研制，但均存在使用温度、成本、长期运行可靠性等问题。吸附法则是利用吸附剂对原料混合气中CO2的选择性不同，通过吸附-解吸可逆作用来分离回收CO2的。吸附法又分为变温吸附法(TSA)、变压吸附法(PSA)和真空吸附(VSA)，吸附剂在低温(或高压)时吸附CO2，升温(或降压)后将CO2解吸出来，通过周期性的温度(或压力)变化，从而使CO2分离出来。近年来，利用吸附剂对CO2进行吸附分离的研究已有较多报道，然而大多数的吸附剂都是物理吸附，其吸附量随温度的升高而降低，不适于高温使用。用于烟道气中CO2回收的吸附剂必须满足以下条件：①高温下对CO2的高选择吸附容量，操作条件下适宜的CO2吸附/解吸动力学；②多次吸附解吸循环后仍有稳定的吸附容量；③足够的机械强度。从吸附到解吸、温度
变化、能量消耗、存储与利用等方面构建合理优化的CO2回收与资源化过程是该课题方向未来的重点。 2 物理吸附剂 2.1 活性炭类吸附剂
活性炭是一种最常见的黑色大比表面孔性吸附剂，其主要成分为无定型碳，还有少量的氢、氧、氮、硫及灰分。不同的制备工艺和活化方法制得的活性炭的理化性质和表面化学性质都会有差异。决定活性炭吸附能力大小的主要是比表面大小、孔结构特点、表面性质和吸附质的吸附。Song和Yong等研究了几种活性炭类吸附剂在高温下对CO2的吸附性能，表1为吸附剂的主要物理性质。 表1 碳基吸附剂的主要物理性能 吸附剂 AC1 AC2 CB 比表面积/m2·g-1 总孔容/mL·g-1 3 000 1 371 225 1.6 1.26 0.31 由图表可看出，对于不同种类的吸附剂，CO2的吸附量与活性炭的比表面积和总孔容成正比；而对于同一种吸附剂，吸附量与压力成正比，与温度成反比。 2.2 沸石分子筛
沸石分子筛是天然或人工合成的含碱金属和碱土金属氧化物的结晶硅铝酸盐。沸石分子筛有严格的结构和孔隙，孔隙大小因结构差异而略有变化，从而可达到对不同分子大小物质的分离。沸石分子筛吸附剂常用于气体分离和净化如空气制氮、CO2的分离与纯化等，它的吸附能力亦随着温度的升高而降低。Lila等研究了用
ASRT 5A分子筛吸附除去太空舱中的CO2，实验结果见表2，温度升高到175℃时，吸附量只有25℃时的24%。
表2 不同温度下CO2在ASRT 5A分子筛上的吸附量 温度/℃ 0 25 50 75 100 175 250 压力p/kPa 101.73 102.40 104.53 104.00 108.66 107.46 106.53 吸附量/mmol·g-1 3.82 3.59 3.34 3.02 2.45 0.884 0.325 在同样条件下，同为物理吸附的沸石分子筛的吸附量比活性炭高出一些，其原因是：沸石分子筛为极性吸附剂，对极性强和不饱和的分子有更强的吸附能力，即使是非极性分子，易极化的极化率大的分子也易被吸附。CO2分子虽偶极矩为零，但由于碳氧键的极性和氧原子的孤对电子的存在，使CO2与沸石分子筛阳离子有强烈作用，导致吸附量增加。
由于物理吸附是固体吸附剂表面分子和被吸附组分的分子之间依靠分子间作用力相互吸引的结果，因而吸附热较低，约为(2.09-10)×103J/mol，与气体冷凝热相似，对吸附的气体几乎无选择性，吸附速度较快，可以多层吸附，吸附容量随温度升高而下降，且与固体吸附剂比表面积大小成比例，物理吸附只有在低温下才比较显著，如果可逆的改变条件，吸附平衡发生变化，降低分压或升高温度就容易脱附。由于烟道气的高温环境和CO2的分压较低，因而此类吸附剂并不适用。
3 可部分反应的物理吸附剂 3.1 金属氧化物吸附剂
由于CO2是酸性气体，容易吸附在略带碱性的氧化物表面，如Na2O、K2O、CaO、MgO和Al2O3，在高温下金属氧化物均有较好的吸附能力，尤其是氧化铝，当加入碱金属(如Li2O、K2O、Na2O)或碱金属碳酸盐(如Li2CO3、K2CO3、Na2CO3)，它在高温下的吸附能力较物理吸附剂可大大提高。
由图2(略)可见，温度从20℃升至200℃时，吸附量下降，200-300℃时却有所升高，但仍不及20℃时的吸附量值，说明温度升高的确有化学吸附产生，然而此吸附作用还比较弱，不足以抵消由于温度升高导致的物理吸附量的减少，因而总体的吸附量仍低于20℃时的吸附量。 3.2 水滑石类混合物(HTlcs)
这是一大类带阴离子的碱性黏土，可用通式来表示： [(M1-x2+Mx3+(OH)2)]x+·(Ax/nn-·mH2O)x-]
其中，M2+=Mg2+，Ni2+，Zn2+，Cu2+，Mn2+；M3+=Al3+，Fe3+，Cr3+；An- =CO32-，SO42-，NO3-，Cl-，OH-；x通常为0.17-0.33。
从图3(略)中可以看出，温度从20℃升至200℃时，吸附量减小，继续升高到300℃时，吸附量反而增大，这是由于低温时主要表现为物理吸附，吸附量随温度升高而降低，高温时为化学吸附，温度升高吸附量反而增大，而且大于20℃时的吸附量。由于化学吸附的吸附热比较大，约为(8.37-41.9)×104J/mol，化学吸附速度随温度升高而增大，故宜在高温下进行，对吸附气体有较高的选择性，反应一般不可逆或只能在1 000℃以上的高温下分解，因而其脱附难于实现，只能进行单层或不满单层吸附，吸附量的大小与可进行化学反应的基团和物质的量成正比。
