综述丨南开大学何良年教授课题组：固体废弃物用于二氧化碳的捕集和资源化利用
1.研究背景
化石燃料的大量使用导致大气中二氧化碳（CO2）浓度不断升高，引发了全球变暖等一系列环境问题。在当前“双碳目标”背景下，CO2捕获与利用（简称CCU）作为大规模减碳技术备受关注；特别是CO2捕获与原位转化方案，可以避免高能量的解吸过程（吸附剂回收），将捕获的（也是活化的）CO2原位转化为高附加值的化学品、材料和能源小分子。CO2捕获试剂的选择对后续转化至关重要，合适的吸附剂也是CO2的活化剂和后续转化反应的催化剂。即在实现CO2富集的同时，能够改变CO2的线性结构，实现电荷转移和重新分配以活化CO2，使捕获的CO2能够轻松转化为有价值的化学品或能源相关产品（图1）。
南开大学何良年教授课题组首次提出了一种集捕获和转化于一体的原位催化转化方法，设计了一种基于天然氨基酸结构的CO2吸收剂，实现了高效的化学吸收，氨基与CO2的摩尔比接近1:1，生成的氨基甲酸是CO2的活化形式，有利于后续的催化转化（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51(45), 11306-11310）。他们利用超强碱和聚乙二醇组成的二元体系成功捕获CO2，并在温和条件下将捕获的CO2转化为高附加值的化学品（. Sci., 2011, 4(10), 3971-3975）。另一方面，他们开发了利用原位催化加氢反应制备能源产品的新方法（Green Chem., 2013, 15, 2825-2829），例如基于聚酰亚胺材料，从空气中吸附CO2，然后原位还原为甲酸。目前已开发出许多吸附催化材料用于CO2的捕获和原位转化，但高昂的成本阻碍了CCU的大规模推广应用。
图1 CO2 捕获和原位转化策略
另一方面，固体废物的不断积累和处理难度也成为一大难题，2002年仅城镇居民产生的垃圾就达350万吨/天，预计到2025年，这一数字将变为610万吨/天。此外，固体废物处理不当（露天焚烧、露天倾倒和填埋等）也引发了二次环境问题。因此，寻找合适的固体废物处理方法十分必要。许多固体废物，如碱性固体废物，表现出很强的CO2捕获能力，固体废物具有来源丰富、体积巨大的特点。设计将固体废物的处理与CO2捕获利用结合起来，进而制备具有使用价值的产品，同时实现固体废物和二氧化碳的资源化利用。既有助于固定CO2，又实现了固体废物的再利用，可谓一举两得的巧妙办法（图2）。
图2 固体废物二氧化碳捕集与资源化利用
2. 内容概述
本文综述了国内外对钢渣、混凝土废弃物、粉煤灰、赤泥、电石渣、生物质等固体废弃物进行CO2捕获与利用的研究现状，并根据固体废弃物的成分、结构特点及其在CO2利用过程中的作用，分为碱性固体废弃物的矿化捕获CO2、固体废弃物的催化CO2转化和CO2参与的炭基固体废弃物热解等三个部分进行分析和探讨。
富含钙、镁的硅酸盐、氧化物等碱性物质能与酸性CO2发生反应，生成固体碳酸盐产物，这一过程称为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碱性化合物，这些工业固体废弃物可用来捕集CO2，生产出包括建筑材料在内的有价值的大宗产品。考虑到碱性固体废弃物数量巨大，建筑材料市场需求巨大，CO2矿化捕集是最有希望大规模应用的CO2捕集与资源化利用技术之一。
除了矿化捕获CO2外，一些固体废弃物如生物质、粉煤灰、赤泥等也可作为催化剂或载体，通过光催化、电催化、热催化等方式将CO2转化为CO、HCOOH等有价值的化工产品。如图3所示，以赤泥为原料制备水滑石，用于CO2捕获，捕获的CO2与环氧氯丙烷发生环加成反应，生成碳酸丙烯酯。
图3 赤泥基水滑石用于二氧化碳捕获和转化
生物质废弃物热解可生成合成气和生物炭材料。在生物质热解过程中引入CO2，可促使热解产生的挥发性烃转化为CO，促进热解进行，实现CO2与生物质废弃物的协同转化。图4是在CO2环境下赤泥与木质素共热解生成铁基生物炭材料，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，消耗大量能源，因此需要仔细评估和计算所得产品的碳足迹。
图4. 赤泥和生物质与CO2共热解生成生物炭，用于对硝基苯酚和Cr6+的催化还原
3. 总结与展望
将固体废弃物处理与CO2的捕获转化巧妙结合起来，可以实现两类废弃物的高值化利用。但该技术在实际应用中还存在不少问题，包括：（1）目前缺乏统一的CO2矿化养护建材评价标准。（2）现有的利用固体废弃物捕获转化CO2技术经济效益较低。（3）基于固体废弃物CO2转化催化剂的下游利用方法尚有欠缺。（4）部分利用固体废弃物捕获转化CO2的工艺要求条件较为苛刻，能耗较大。
虽然目前利用固体废物捕集转化CO2还存在一些问题，但已有的研究成果显示了该领域在碳减排方面的潜力。希望本文的总结能够给研究人员在利用固体废物捕集转化CO2领域进行研究提供启发，启发他们设计合理的CO2捕集工艺和终端产品，开发负碳技术，为实现碳中和做出贡献。
文章資訊
标题： 固体废物及其处理
: 谢伟航、李恒、杨猛、何良年*、李红如*
关于通讯作者
关于作者
李鸿儒讲师
李鸿儒，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及生物质转化利用及CO2热力学研究。包括CO2热力学建模与计算、利用绿色清洁技术实现木质素转化为芳香族化合物、离子液体或非均相催化剂的开发、蓖麻基润滑剂及聚合物的合成、CO2转化为精细化学品等。在国内外重要学术期刊（包括Green Chem.、ACS Chem. Eng.及Fluid Phase）发表学术论文20余篇，申请并授权中外专利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，英国皇家化学会会士（FRSC）。从事绿色化学、二氧化碳资源利用、生物质高值化等领域研究，在二氧化碳化学、可再生碳基能源化学等领域取得一系列创新性成果，主编《二氧化碳化学》、《绿色化学基本原理》等专著，受到关注和好评，推动了二氧化碳化学领域的发展。在重要学术期刊发表学术论文280余篇，撰写英文专著1部、中文专著3部、英文书籍章节20篇（ACS book, John Wiley & Sons,,, CRC Press@），申请（获得）授权中外专利30项，应邀在学术会议上作报告80余次。 2014年至2020年连续7年入选中国高被引学者（Most Cited）榜单，入选英国皇家化学会Top 1%高被引中国学者名单。
现担任《Green and 》主编（2015-2021）； 、Green and、Mini-in、Green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会委员，离子液体清洁过程北京市重点实验室学术委员会委员，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，湖南省石油分子结构与效率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。项目团队网页：