1. 研究背景
化石燃料大量使用导致大气中的二氧化碳（CO2）浓度持续升高，由此导致了全球变暖等系列环境问题。在当前“双碳目标”背景下，CO2捕集和利用（Carbon Capture and Utilization, CCU）作为规模化减碳技术，备受关注；尤其是，CO2的捕集与原位转化方案能避免高能耗的脱附过程（吸附剂的回收），将捕集（也是活化）的CO2原位转化为高附加值化学品、材料及能源小分子。CO2捕获试剂的选择对后续的转化至关重要，合适的吸附剂也是CO2的活化剂、后续转化反应的催化剂。即，在实现CO2富集的同时，要能够改变CO2的线性结构、实现电荷转移和重新分配使其被活化，后续便可以较为容易地将被捕集的CO2转化为有价值的化学品或者能源相关产品（图1）。
南开大学何良年教授课题组率先提出将捕集与转化相结合的原位催化转化方法，设计基于天然氨基酸结构的CO2吸收剂，实现了吸收剂氨基与CO2摩尔比接近1:1的高效化学吸收，生成的氨基甲酸是CO2的活化形式并利于后续的催化转化（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51(45), 11306-11310）。使用超强碱和聚乙二醇组成的二元体系成功捕获了CO2，并且将被捕获的CO2在温和条件下转化为高附加值化学品（Energy Environ. Sci., 2011, 4(10), 3971-3975）。另一方面，发展了原位催化氢化反应制备能源产品的新途径（Green Chem., 2013, 15, 2825-2829），例如，基于聚亚胺材料吸附空气中的CO2，进而原位还原为甲酸。至此，已经开发了许多应用于CO2捕集与原位转化的吸附-催化材料，但高成本阻碍了CCU的大规模推广应用。
图1 CO2捕集与原位转化策略
另一方面，固体废弃物的不断积累、处理困难也成为一大难题。2002年，仅城市居民产生的废弃物便可达350万吨/天，预计到2025年，这个数字将变成610万吨/天。并且，固废物的不当处理（露天焚烧、露天倾倒及随地填埋等）也导致了次生环境问题。因此，寻找合适的固废物处置方法是十分有必要的。许多固体废弃物，例如碱性固体废弃物表现出强的CO2捕集能力，且固体废弃物具有来源丰富、体量巨大的特点。设计将固体废弃物的处置与CO2捕集和利用相结合，进而制备具有使用价值的产品，同时实现固废与二氧化碳的资源化利用。不仅有助于CO2的固定，还能实现固废物的再利用，是一种一举两得的巧妙方法（图2）。
图2 固体废弃物用于CO2的捕集和资源化利用
2. 内容概述
本文总结了矿渣、工业炉渣、生物质等固体废弃物，包括钢渣、混凝土废弃物、粉煤灰、赤泥、电石渣和生物质废弃物在CO2捕集和利用方面的研究现状。根据固体废弃物的组成及其结构特点、在CO2利用过程中所起的作用，本文分为三个部分，如碱性固废物矿化捕集CO2，固体废弃物催化的CO2转化以及CO2参与的碳基固废物热解，加以分析与讨论。
富含钙、镁的硅酸盐、氧化物等碱性物质可以与酸性的CO2反应生成固体碳酸盐产品。这个过程被称为CO2的矿化捕集。由于钢渣、电石渣、粉煤灰等工业固体废弃物中含有大量的碱性化合物，这些工业固体废弃物可用于捕集CO2并生产有价值的大宗产品，包括建筑材料等。考虑到碱性固体废弃物的大量存在以及目前市场对建筑材料的巨大需求，CO2的矿化捕集是目前最有潜力进行大规模应用的CO2捕集与资源化利用技术之一。
除了CO2的矿化捕集外，一些固体废弃物如生物质、粉煤灰和赤泥等还可以作为催化剂或载体，通过光催化、电催化和热催化等方式将CO2转化为有价值的化工产品，如CO，HCOOH等。如图3，以赤泥为原料制备了MgFeAl水滑石，可用于CO2捕集并将被捕集的CO2和环氧氯丙烷进行环加成反应生成碳酸氯丙烯酯。
图3 赤泥基MgFeAl 水滑石用于CO2捕集与转化
生物质废弃物的热解可以产生合成气和生物炭材料，在生物质热解过程中引入CO2可以促进热解产生的挥发烃类向CO转化，促进热解的进行，实现了CO2和生物质废弃物的协同转化。图4是将赤泥与木质素在CO2环境下共热解，生成了铁基生物炭材料，可用于还原对硝基苯酚和Cr6+。由于热解过程需要在高温下进行，因而热解过程会消耗大量的能源，因而所得产品的碳足迹需要进行慎重的评估和计算。
图4 赤泥和生物质与CO2共热解生成生物炭催化还原对硝基苯酚和Cr6+
3. 总结与展望
将固废物的处理和CO2的捕集和转化结合起来，可巧妙实现两种废弃物的高值化利用。然而，这项技术在实际应用方面也还存在着很多问题，包括：（1）目前尚缺少统一的CO2矿化养护建筑材料的评判标准。（2）现有利用固体废弃物捕集和转化CO2的技术经济效益相对较低。（3）固废基的CO2转化催化剂的下游利用手段还较为缺失。（4）某些利用固体废弃物捕集和转化CO2的过程，要求的条件比较苛刻，需要消耗大量的能源。
尽管目前采用固废物实现CO2捕集和转化仍面临一些问题，但现有的研究结果表明该领域在碳减排方面的潜力，我们希望本文的总结能够激发科研人员对利用固体废弃物捕集和转化CO2这一领域的研究兴趣和灵感，从而设计合理的CO2捕集工艺及终端产品，开发负碳技术，为碳中和做出贡献。
文章信息
Title: CO2 capture and utilization with solid waste
Authors: Wei-Hang Xie, Heng Li, Meng Yang, Liang-Nian He*, Hong-Ru Li*
https://doi.org/10.1016/j.gce.2022.01.002
通讯作者简介
作者简介
李红茹 讲师
李红茹，博士，南开大学药学院讲师。
2015年加入何良年教授课题组，主要从事CO2和生物质的转化利用以及CO2热力学研究。包括CO2热力学的建模和计算，采用绿色清洁技术实现木质素向芳香化合物的转化，开发离子液体或非均相催化剂，合成蓖麻基润滑油以及聚合物，以及CO2向精细化学品的转化研究。在国内外重要学术刊物（包括Green Chem., ACS Sustainable Chem. Eng.以及Fluid Phase Equilibria）上发表学术论文20余篇，申请与授权中外专利7项，授权5项。
何良年 教授
何良年，博士，南开大学化学学院教授，博士生导师，英国皇家化学会士(FRSC)。从事绿色化学、二氧化碳资源化利用、生物质高值化等领域的研究工作。在二氧化碳化学及可再生碳基能源化学领域取得了系列创新成果，编著了《二氧化碳化学》与《绿色化学基本原理》，受到关注与好评，推动了二氧化碳化学领域的发展。在重要学术刊物上发表学术论文280余篇。撰写英文专著1部、中文书籍3部以及英文书籍章节20部 (ACS book series, John Wiley & Sons, Springer, Elsevier, CRC Press Taylor @ Francis)，申请（获得）授权中外专利30项。受邀在学术会议上作报告80余次。2014-2020年连续7年入选中国高被引学者（Most Cited Chinese Researchers, Elsevier）榜单，入选英国皇家化学会Top 1%高被引中国学者榜单。
现任“Green Chemistry and Sustainable Technology” Series Editor, Current Organic Synthesis主编(2015-2021)；Journal of CO2 Utilization, ChemistryOpen, 科学通报, Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, Mini-review in Organic Chemistry、Green Chemical Engineering等学术期刊编委, 中国化学会绿色化学专业委员会委员、中国化工学会离子液体专业委员会委员、“低碳催化与二氧化碳利用“ 国家重点实验室学术委员、离子液体清洁过程北京市重点实验室学术委员，广东省低碳化学与过程节能重点实验室学术委员会副主任、油脂分子构效湖南省重点实验室学术委员会委员、天津市工业尾气资源综合利用技术工程中心技术专家。课题组网页：http://greenchem.nankai.edu.cn/