膜分离 CO₂ 捕集技术研究

报告编号：OGG-A-005 出品方：北京经纬智汇信息咨询有限公司 报告日期：2026年7月 保密级别：内部参考 版本：V1.0 报告字数：约 13,000 字

执行摘要

本摘要为决策层快速阅读设计，浓缩全文核心判断。因本报告采用"结论后置"逻辑，完整论证与数据支撑详见正文各章。

膜分离 CO₂ 捕集是碳捕集利用与封存（CCUS）技术谱系中能耗低、无化学试剂、模块化程度高的一条重要技术路线。经系统调研，本报告得出以下核心判断：

一、技术成熟度呈"两级分化"格局。 在高分压场景（天然气脱碳、沼气提纯、合成气分离）中，膜分离已达 TRL 9 全面商业化，全球在运装置数以千计；但在燃烧后烟气捕集这一 CCUS 主战场，因烟气中 CO₂ 分压极低（约 3–15 kPa），膜法仍处于 TRL 6–7 的中试到大型示范阶段，尚未实现大规模商业推广。这一分化是理解膜法商业价值的关键。

二、材料创新是突破瓶颈的核心引擎。 传统聚合物膜受制于"渗透性—选择性"此消彼长的 Robeson 上限。当前三条突破路径已现雏形：本征微孔聚合物（PIMs）向上刷新上限、混合基质膜（MMM，聚合物+MOF/沸石填料）兼顾加工性与性能、促进传输膜（含氨基载体，如 PVAm/Pebax 体系）在低分压烟气场景展现出远超常规膜的 CO₂/N₂ 选择性。

三、全球竞争格局"一超多强"，中国正加速追赶。 美国 Membrane Technology and Research（MTR）以 Polaris™ 膜和怀俄明州大型示范项目稳居燃烧后捕集第一梯队；德国 Evonik（SEPURAN®）、日本宇部兴产（UBE）、法国 Air Liquide（MEDAL™）在天然气/沼气脱碳领域各据高地；中国以天津大学、中科院大连化物所/过程所、清华大学等院所为研发核心，联合中石化、国家能源集团等推动首套万方级工业示范落地，产业化进程明显提速。

四、市场规模稳健增长，双碳政策是核心驱动力。 据多家市场研究机构测算，全球膜法碳捕集相关市场 2024 年规模约 15–17 亿美元，未来十年复合增长率（CAGR）约 7%–8%，天然气处理与沼气提纯是当前主要收入来源，燃烧后捕集与直接空气捕集（DAC）是最大增量想象空间。

五、经济性对比：膜法在中高浓度场景具备成本优势，低浓度场景待突破。 对高 CO₂ 分压气源，膜法捕集成本可低至化学吸收法的 60%–80%；但在低分压烟气场景，单级膜法难以兼顾纯度与回收率，需多级串联或与其他技术耦合，成本竞争力尚未确立。

行动建议（结论前置于摘要，论证详见正文第七章）：建议经纬智汇及关注方以"沼气/天然气脱碳切入、燃烧后捕集布局、DAC 前瞻跟踪"的三层节奏进行技术跟踪与投资研判；重点关注促进传输膜、MMM 两类材料的中试放大进展，以及碳价突破 60–80 美元/吨后膜法燃烧后捕集的经济性拐点。

风险提示：膜塑化与长期寿命衰减、低分压性能不足、规模化制膜一致性、碳价波动是四大核心风险，详见第六章。

01 · 调研背景与目标

1.1 调研缘起与问题意识

在全球碳中和目标驱动下，碳捕集利用与封存（CCUS）已从概念走向规模化部署。国际能源署（IEA）在其净零情景中明确指出，CCUS 是钢铁、水泥、化工等难减排行业以及化石能源发电实现深度脱碳不可替代的技术选项。在 CCUS 全链条中，捕集环节占据总成本的 60%–80%，是决定整个技术经济性的"卡脖子"环节。

当前主流捕集技术包括化学吸收法（以胺法为代表）、物理吸附法、膜分离法与低温分离法。其中，化学吸收法最成熟但能耗高、溶剂再生需大量蒸汽且存在降解与腐蚀问题；膜分离法则以无相变、无化学试剂、设备紧凑、模块化、可连续运行等优势，被视为最具潜力的下一代捕集技术之一。

然而，膜法在不同应用场景中的成熟度差异极大：在天然气脱碳等高分压场景中早已商业化数十年，但在 CCUS 最大的应用市场——燃烧后烟气捕集中，却因技术瓶颈迟迟未能大规模落地。这一"冰火两重天"的现状，正是本次调研需要厘清的核心问题。

1.2 核心调研问题

本报告围绕以下核心问题展开：

• 膜分离 CO₂ 捕集的技术原理与关键材料体系是什么？各类膜材料的性能边界在哪里？
• 制约膜法（尤其在低分压烟气场景）大规模应用的技术瓶颈是什么？突破方向何在？
• 全球膜法碳捕集的专利布局、竞争格局与市场规模如何？主要玩家的技术路线与优劣势？
• 膜法与其他捕集技术相比，经济性如何？在哪些场景中最具竞争力？
• 面向未来 12–36 个月及更长期，膜法技术将如何演进？对立项、选型、投资有何决策建议？

1.3 调研范围界定

• 技术范围：聚焦膜分离法 CO₂ 捕集，涵盖聚合物膜、无机膜、混合基质膜、促进传输膜等材料体系，以及膜组件与工艺工程化。
• 应用场景：覆盖天然气脱碳、沼气/生物甲烷提纯、燃烧后烟气捕集、直接空气捕集（DAC）等。
• 地域范围：全球视野，重点覆盖美国、欧洲、日本、中国。
• 时间范围：以历史演进为脉络，重点分析 2023–2026 年最新进展，并预判未来趋势。

1.4 调研方法说明

本报告采用多源信息交叉验证方法，综合了高水平学术期刊综述与研究论文、国际能源机构与市场研究机构报告、各国能源部门政策文件与示范项目公告、代表性企业技术白皮书与产品资料，以及专利数据库分析等信息渠道。所有关键数据均标注来源与年份（详见配套《参考文献汇总》），并按证据可信度进行分级标注。

02 · 技术现状全景

2.1 技术定义与核心原理（白话版）

膜分离 CO₂ 捕集，本质上是让含 CO₂ 的混合气流经一张具有选择性的"分子筛网"——分离膜。膜两侧存在压力差（即"驱动力"），CO₂ 因与膜材料的亲和性更高或分子尺寸更合适，得以更快穿透膜层（成为"渗透侧/透过气"，富集 CO₂），而 N₂、CH₄ 等其他气体则更多被阻挡在膜的另一侧（成为"截留侧/滞留气"）。整个过程不发生相变、不消耗化学溶剂、无需高温再生，仅靠压差驱动，因此能耗与设备复杂度天然较低。

膜分离气体的传质机理主要有三种，理解它们是把握不同膜材料性能差异的关键：

（1）溶解—扩散机理（Solution-Diffusion） 这是致密聚合物膜的主导机理。气体分子先"溶解"进入膜的上游表面，再在浓度梯度下"扩散"穿过膜体，最后在下游侧"解吸"。膜对某种气体的渗透能力 = 溶解度 × 扩散系数。CO₂ 因其较高的凝聚性（易溶解）和适中的分子动力学直径（3.3 Å），在多数聚合物中兼具较高溶解度和扩散性，是"天生"适合被膜优先透过的气体。

（2）分子筛分机理（Molecular Sieving） 这是无机膜（沸石、碳分子筛）和部分刚性微孔聚合物的主导机理。膜孔径被精确控制在气体分子动力学直径之间，尺寸较小的分子（如 CO₂ 3.3 Å）能通过，较大的分子（如 CH₄ 3.8 Å、N₂ 3.64 Å）被筛除。该机理可实现极高选择性，但制备难度大、成本高。

（3）促进传输机理（Facilitated Transport） 这是促进传输膜的独特机理，也是低分压烟气捕集的希望所在。膜内引入可与 CO₂ 发生可逆化学反应的载体（如氨基 –NH₂）。CO₂ 到达膜表面后与载体结合形成中间产物（如氨基甲酸盐），被"接力"传递至下游侧再释放，而 N₂、CH₄ 等不参与反应的气体只能靠普通溶解扩散通过。这使得膜对 CO₂ 的选择性可大幅提升，尤其在低分压条件下优势明显。

2.2 关键性能指标体系

评价一张 CO₂ 分离膜的优劣，需综合以下核心指标：

*图 2-1：CO2 分离膜三大传质机理示意图*

2.3 发展脉络与成熟度评估

膜法气体分离技术的发展可分为四个阶段：

第一阶段（1980 年代–1990 年代）：天然气脱碳商业化奠基。 1980 年代初，醋酸纤维素（CA）膜率先用于天然气脱除 CO₂ 实现商业化，Grace/Separex、Cynara（后归 SLB）、UOP 等公司建立起早期市场。这一时期膜法在高分压天然气田脱碳中站稳脚跟。

第二阶段（1990 年代–2000 年代）：材料多元化与组件优化。 聚酰亚胺（PI）、聚砜等高性能聚合物膜相继商业化，中空纤维膜组件工艺成熟，Air Liquide 的 MEDAL™、UBE 的聚酰亚胺膜等产品陆续推出，选择性与耐压性提升。

第三阶段（2000 年代–2010 年代）：沼气提纯崛起与烟气捕集探索。 随着欧洲生物甲烷产业兴起，膜法沼气提纯（CO₂/CH₄ 分离）快速放量，Evonik SEPURAN®、Air Liquide、UBE 等抢占市场。同期，面向电厂燃烧后捕集的研究大规模启动，美国能源部（DOE/NETL）资助 MTR 等开展中试。

第四阶段（2010 年代至今）：新材料涌现与烟气捕集大型示范。 本征微孔聚合物（PIMs）、混合基质膜（MMM）、促进传输膜等新材料快速发展，Robeson 上限被不断刷新。MTR 在美国国家碳捕集中心（NCCC）完成中试后，推进怀俄明州大型燃烧后捕集示范；中国院所与能源企业联合推动首套工业级示范落地。

当前技术成熟度（TRL）分布评估：

2.4 国内外整体发展现状

国际方面，膜法碳捕集研发高度集中于少数企业与顶尖院所。美国依托 DOE/NETL 的持续资助，形成了以 MTR 为龙头、佐治亚理工等高校为支撑的研发体系，在燃烧后捕集膜领域领先。欧洲以 Evonik、Air Liquide 为产业化主力，在沼气与天然气脱碳市场占据高份额，同时挪威 Mongstad 技术中心（TCM）等为膜法烟气捕集提供了世界级测试平台。日本以宇部兴产（UBE）为代表，在聚酰亚胺膜领域技术积淀深厚，并在 NEDO 支持下推进碳捕集应用。

中国方面，膜法碳捕集研发以科研院所为核心引擎。中科院大连化物所、中科院过程工程研究所、天津大学、清华大学、南京工业大学等在膜材料合成与组件开发上成果丰硕；产业化则依托中石化、中石油、国家能源集团、华能集团等能源央企的示范项目。近年来，天津大学联合中石化及膜企业推动了国内首套万方级工业烟气膜法碳捕集示范，标志着中国膜法碳捕集从实验室走向工程化的关键跨越。整体看，中国在膜材料基础研究上已接近国际前沿，但在大规模制膜工艺一致性、长周期工程运行经验上仍与国际龙头存在差距。

*图 2-2：膜法 CO2 捕集技术成熟度（TRL）与应用场景分布图*