Nature Sustainability：膜技术，实现高效CO2捕获！

研究背景

为了实现本世纪中叶的净零二氧化碳排放目标，必须在发电和水泥生产等高排放行业快速发展碳减排措施。国际能源署要求到2050年，每年需要从点排放源捕获70亿吨 CO₂。

关键问题

目前，CO₂捕获主要存在以下问题：

1、传统吸收技术的局限性

传统的化学吸收技术（如 MEA）需要高热能用于溶剂再生，且存在溶剂降解带来的环境影响大、胺类物质不可避免地排放、复杂的基础设施以及庞大的占地面积等缺点，这限制了其在分布式或空间受限系统中的适用性。

2、传统膜技术在稀薄气体中的性能不足

基于膜的碳捕获是一种有吸引力的替代方案，但其应用受限于在天然气发电厂等低浓度CO₂排放源中的性能。此外，成熟的聚合物膜技术受限于渗透性和选择性之间的固有权衡，使得在低CO₂浓度下难以实现具有竞争力的成本。

新思路

有鉴于此，洛桑联邦理工学院Kumar Varoon Agrawal、Marina Micari等人介绍了吡啶氮石墨烯膜（含有吡啶氮的多孔石墨烯膜）的技术经济评估——随着进料中CO₂浓度的降低，其 CO₂ 渗透性和选择性会越来越高。即使考虑到非理想效应，如浓度极化和压力降，这种独特的行为仍能显著降低能源消耗、工艺占地面积和捕获成本。使用不确定性感知成本建模，包括膜成本、电价、应急因素和学习曲线，我们表明，对于天然气发电厂，捕获成本可达到US$25–50 每吨 CO₂。这使得该技术相对于最先进的捕获工艺具有有利的地位。该工作将材料创新与工艺优化相结合，突出了先进膜材料和工艺设计在针对不同工业部门的成本效益型碳捕获中的作用。

技术方案：

1、预测了膜过程的未来成本

本研究用混合方法评估石墨烯膜技术经济可行性，考虑成本、电价不确定性，确保分析鲁棒性。

2、研究了低浓度CO₂捕集案例

针对低CO₂浓度（4.0-6.5%）的NGCC电厂烟气，双级膜流程需废气再循环才具经济性，成本约US105/吨CO₂。三级膜流程成本更低（约US77/吨CO₂），在技术成本不确定性下更具韧性和经济性。

3、研究了高浓度CO₂捕集案例

燃煤电厂中，吡啶氮石墨烯膜因高CO₂/N₂选择性降低能耗与捕获成本，选择性是关键；水泥厂中，其高CO₂/N₂选择性被低CO₂/O₂选择性抵消，CO₂/O₂选择性成关键。

4、比较了三种捕获应用程序的技术

吡啶氮石墨烯膜在多种工业点源实现高效CO₂捕获，成本低（NGCC约US60-100/吨，燃煤和水泥厂约US25-50/吨），且操作简单、占地面积小。

技术优势：

1、克服了传统膜材料渗透性和选择性的固有权衡

吡啶氮石墨烯膜独特的性能在于CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性会随着进料中 CO₂ 浓度的降低而提高，使其特别适用于稀薄 CO₂ 排放源的捕获，这是传统膜所不具备的。

2、首次证明了吡啶氮石墨烯膜技术捕获低浓度CO₂的可行性

本文采用不确定性感知技术经济评估，首次证明了吡啶氮石墨烯膜技术对于低浓度 NGCC 烟气捕获的可行性和经济性。该技术在多种工业场景下实现了与现有最先进技术持平甚至更低的捕获成本。

技术细节

膜过程的未来成本预测

由于石墨烯膜等新兴材料在大规模应用方面仍受限制，其成本预测存在显著的不确定性。本研究采用混合方法来评估技术经济可行性，该方法结合了对首次同类 (FOAK) 工厂资本成本的自下而上评估和对第N个同类 (NOAK) 工厂资本成本的自上而下估算。估算考虑了应急因素（contingency factors）和学习曲线（learning rates）。尽管基线石墨烯膜成本设定为 US$50 m⁻² 至 US$0.04 至 US$0.11 per kilowatt-hour 的范围内，以反映不同地理位置的电力供应成本。通过 Sobol 采样传播不确定性，确保分析的鲁棒性。

图  石墨烯膜的研究进展

图  工艺流程图

NGCC和NGCC-EGR案例研究

针对具有挑战性的低CO₂浓度 (4.0–6.5%) 的 NGCC 电厂烟气，研究模拟了双级和三级膜流程。在当前膜性能下，双级流程仅在实施废气再循环 (EGR) 时才具有经济可行性。双级流程在 NGCC 案例中的最低平均成本约为 US$105 per ton CO₂。为了进一步改善经济可行性，研究提出了带有前端“富集器”级的三级流程。该配置在 NGCC 案例中的优化平均成本为 US$77 per ton CO₂。这证明了三级膜流程即使在广泛的技术成本不确定性下，仍是捕获低浓度烟气的更具韧性和经济性的解决方案。

图  用于NGCC和NGCC-EGR的双级工艺

图  使用吡啶-石墨烯和PEI-石墨烯的三阶段工艺

燃煤电厂和水泥厂案例研究

对于 CO₂ 浓度较高的燃煤和水泥厂，研究优化了双级配置。对于燃煤电厂，吡啶氮石墨烯膜由于其更高的 CO₂/N₂ 选择性（约为 48，而 O-石墨烯为 21.3），能耗需求显著降低，从而带来比前几代石墨烯膜更低的最低捕获成本。因此，对于燃煤应用而言，选择性而非渗透性是经济性能的关键驱动因素。然而，对于水泥厂（其烟气氧气浓度较高），吡啶氮石墨烯膜较高的 CO₂/N₂ 选择性所带来的能耗降低，被其较低的 CO₂/O₂ 选择性所抵消。在这些情况下，CO₂/O₂ 选择性成为关键因素。

图  用于燃煤电厂和水泥厂的石墨烯-膜工艺的优化

经济不确定性下的最佳工艺配置

研究展示了吡啶氮石墨烯膜如何在各种工业点源实现能源和成本效益高的 CO₂ 捕获。对于 NGCC 烟气，三级流程配置在不需对电厂进行任何改动的情况下，实现了具有竞争力的捕获成本（US$80–100 per ton CO₂），最佳情况低至US$60 per ton CO₂。这挑战了此前文献认为膜技术作为 NGCC 末端解决方案不可行的观点。对于燃煤和水泥厂，吡啶氮石墨烯膜的捕获成本在 US$25–50 per ton CO₂ 范围内，使其不仅具有成本竞争力，而且相比高温或氧气系统而言，操作更简单、更紧凑。此外，由于其高渗透性，吡啶氮石墨烯膜可将工艺占地面积减少数倍，支持其在空间受限应用中的部署。

图  三种捕获应用程序的技术比较

展望

总之，本文通过对吡啶氮石墨烯膜进行不确定性感知技术经济评估，证明了先进膜技术在实现大规模、成本效益型碳捕获中的关键作用。这种膜独特的“反常”性能使其成为低浓度 NGCC 烟气（通过三级流程实现 US$25–50/吨 CO₂）的理想解决方案。该技术具有强大的经济鲁棒性和占地面积小的优势，有望成为重要的末端减排技术。

参考文献：

Micari, M., Hsu, KJ., Bempeli, S. et al. Energy- and cost-efficient CO2 capture from dilute emissions by pyridinic-graphene membranes. Nat Sustain (2025).

https://doi.org/10.1038/s41893-025-01696-5