众所周知，温室效应引起的气候变化是当前人类生活所面临的难题之一。温室效应是指透射阳光的密闭空间因与外界缺乏热交换而形成的保温效应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面变暖后放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳（CO₂）等物质所吸收，从而造成大气变暖的效应。自工业革命以来，人类向大气中排入的CO₂等吸热性较强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之严重，已经造成全球气候变暖，两级冰川溶解、海平面上升等一系列严重问题，引起了全世界各国的普遍关注。^[1-3]

随着地球人口的急剧增加，工业的快速发展，排入大气中的CO₂也相应增多；又由于森林被大量砍伐，植被被不断破坏，大气中应被吸收的CO₂并没有被生物质所完全吸收，而是仍然残留在大气当中，造成大气中CO₂的浓度不断增加，这导致了温室效应的日趋严重。在所有温室气体中，对全球气候变化影响最大的是富含碳的化石燃料（煤炭、石油和天然气等）燃烧排放出的CO₂，约占温室气体排放总量的75%，是温室效应最直接的贡献者。^[4]因此，CO₂的分离与捕获作为控制温室效应的有效手段已经越来越得到人类的重视。据推测，如果CO₂的排放量得不到有效控制，今后大气中二氧化碳每增加1倍，全球平均气温将上升大约1.5～4.5 ^oC，而两极地区的气温升幅要比其他地区高3倍左右，气温的不断升高不可避免地将导致洋流变化、冰川融化和海平面上升等气候灾难发生，造成严重的环境生态问题，对人类的生存产生巨大的威胁。^{[5, 6]}

据统计，在2007年，大气中CO₂的浓度为280 ppm，而到近几年的数据表示大气中CO₂的浓度一直保持在390 ppm以上，已经成为各国最为关心得热点问题之一。为了有效控制CO₂排放量，遏制全球变暖的趋势，1997年12月联合国于日本京都通过了《京都议定书》，明确量化了发达国家温室气体的减排指标。而我国政府也已于2002年8月正式核准了《京都议定书》。近年来，中国政府也作出重要指示，承诺2020年单位GDP的CO₂排放量要比2005年降低40%～45%，并将其作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。^{[7, 8]}然而，另一方面，CO₂同时也是一种潜在的碳资源，作为最为安全的C1资源，其用途广泛，大量用于生产纯碱、小苏打、尿素、碳酸氢铵、颜料铅白等；在轻工业上，生产碳酸饮料、啤酒、汽水等都需要CO₂。这就给我们如何变废为宝提出了新的挑战：对空气中的CO₂进行分离捕获，减小其在空气中的含量，将分离出的CO₂进行储存，接着运用到工业运用中去。^[9]

在过去20年，排放到大气的CO₂的大部分是由化石燃料燃烧造成的。在以矿物燃料为主要能源的电力生产中燃烧后排放出的烟道气是全球CO₂长期稳定的集中排放源，超过CO₂排放总量的30%。烟道气的主要组成成分是N₂（80%），其中含有约15%的CO₂。一般工业上若将烟道气直接排空，则会将大量的CO₂排放到空气中，造成CO₂在大气中浓度的上升。所以对化石燃料燃烧后产生的烟道气进行分离去除CO₂显得尤为重要，是全球CO₂分离与捕获最为重要的研究方向。^[10]

天然气作为一种重要的化工原料和清洁能源，随着能源结构的调整，其需求量不断增加，已经成为人类必须的能源来源之一。其燃烧产生的二氧化碳和氮氧化物的排放仅为煤炭的一半和五分之一左右，二氧化硫的排放几乎为零。据《2013-2017年中国天然气产业供需预测与投资战略分析报告》显示：2006-2010年，我国天然气剩余技术可采储量由3.0万亿立方米增至3.8万亿立方米，增长26.7%；天然气产量从586亿立方米增至968亿立方米，增长65.2%。天然气在我国的发展如此迅速也给天然气的分离提纯提出了挑战。天然气的主要成分是甲烷，但是新采集的天然气通常含有一定量的CO₂。由于CO₂的存在，不仅会降低天然气的热值，影响其燃烧效率，同时其弱酸性对于天然气的输送管道和储存容器也有不可忽视的腐蚀作用。所以，在天然气燃烧前对天然气进行提纯净化去除其中的CO₂，也是CO₂分离与捕获的全新方向。^{[11, 12]}

综上所述，基于生态环境问题、世界能源结构变化以及CO₂的C1资源回收利用情况，可以推测深入CO₂分离与捕获领域的研究具有重要意义。其主要的研究方向主要为两个方向：①燃烧前天然气沼气中CO₂与CH₄的分离；②燃烧后烟道气中CO₂与N₂的分离。对CO₂进行有效回收利用，使地球上的CO₂实现良性循环，既能够减少温室效应的加剧，又可以缓解存在的能源危机，具有解决环保问题及能源问题的双重意义。因此，开发有效的CO₂分离和捕获技术已成为关乎能源和环境的重大课题。^[13]

参考文献

[1] 吴兑．温室气体与温室效应 [M]. 北京: 气象出版社, 2003．

[2] Haszeldine RS. Carbon capture and storage: How green can black be? [J]. Science, 2009, 325(5948): 1647-1652.