面向作物增产与土壤改良固碳的工业CO<sub>2</sub>大规模利用新途径—

Engineering ›› 2025, Vol. 48 ›› Issue (5) : 14 -18. DOI: 10.1016/j.eng.2025.03.006

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面向作物增产与土壤改良固碳的工业CO₂大规模利用新途径——CO₂水液肥

孙宝昌 ^a^,^b ,
米梦彤 ^b ,
王圣毅 ^c ,
王肖娟 ^c ,
宋晓玲 ^c^,^* ,
初广文 ^a^,^b ,
李学宽 ^c ,
黄东 ^c ,
王丹 ^a^,^b ,
陈建峰 ^a^,^b^,^*

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A Novel Route to the Large-Scale Utilization of Industrial CO₂ as a Stable Liquid Fertilizer to Increase Crop Yields and Improve the Soil

Bao-Chang Sun ^a^,^b ,
Meng-Tong Mi ^b ,
Sheng-Yi Wang ^c ,
Xiao-Juan Wang ^c ,
Xiao-Ling Song ^c^,^* ,
Guang-Wen Chu ^a^,^b ,
Xue-Kuan Li ^c ,
Dong Huang ^c ,
Dan Wang ^a^,^b ,
Jian-Feng Chen ^a^,^b^,^*

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孙宝昌,米梦彤,王圣毅,王肖娟,宋晓玲,初广文,李学宽,黄东,王丹,陈建峰. 面向作物增产与土壤改良固碳的工业CO₂大规模利用新途径——CO₂水液肥[J]. 工程（英文）, 2025, 48(5): 14-18 DOI:10.1016/j.eng.2025.03.006

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1 实现“双碳”目标的关键

根据国际能源署（IEA）发布的《2023年二氧化碳排放报告》，2023年全球二氧化碳（CO₂）排放量攀升至374亿吨[1]，创历史新高。这一趋势不仅加剧了全球变暖，更引发了一系列严峻的气候危机。中国是全球最大的碳排放国，碳排放量约占全球碳排放总量的三分之一[2]。面对这一挑战，中国在2020年第75届联合国大会上庄严承诺：将力争于2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。因此，加快发展CO₂减排和资源化利用技术已成为当务之急。

CO₂不仅是温室气体，同时也可被资源化利用。通过先进的分离与纯化技术，工业排放的CO₂可以被有效捕集并广泛应用于制冷[3]、气体施肥[4]、油田驱油[5]、石油开采[6]以及化工产品合成[7]等多个领域。然而，目前CO₂捕集与纯化的成本较高，达250~450元∙t^-1 [8]，这意味着只有资源化利用产生的经济效益超过这一成本，该技术才具备规模化应用的可能性。因此，开发低成本CO₂捕集和高价值资源化利用技术，对实现我国“碳达峰、碳中和”战略目标具有重大意义。

2 CO₂的农业利用——绿色资源化利用途径

植物的光合作用需要大量的CO₂，而当前空气中的CO₂浓度远低于作物生长所需的最优浓度[9‒10]。此外，作物“缺碳”还会带来一系列不利影响，如微生物繁殖不良、肥效降低、土壤盐碱化和板结、作物根系发育受阻等，最终导致作物产量与品质下降[11]。若能适度增加作物生长环境（空气或土壤）中的CO₂，将显著提升作物产量、品质和抗病能力，延长收获期并改善土壤质量[12]。因此，将CO₂用于农业领域是一种天然、绿色的资源化利用路径，具备大规模推广潜力。

中国目前约有9900万公顷盐碱地（其中约三分之一具备改良潜力），主要分布于西北、东北和华北地区[13]，其中新疆的盐碱地面积约占全国的三分之一。土壤盐碱化是制约植物正常生长和农业生产力提升的关键因素。目前，全球范围内因土壤盐碱化导致的作物减产比例为18%~43% [14]。预计到2050年，全球约50%的可耕地将受到盐碱化的影响，这将严重威胁区域农业生产与粮食安全[15]。因此，迫切需要发展新技术以改良盐碱地，提高作物产量。

3 富CO₂灌溉水——CO₂农业利用的创新思路

富CO₂灌溉水是指将CO₂气体溶解于灌溉水中，然后将其施用于农田。这种水可中和土壤中的碱性组分并降低pH值。同时，过量的CO₂会与碳酸盐反应生成碳酸氢盐，碳酸氢盐易溶于水并向下渗透到土壤中，从而降低土壤中的盐分含量，达到改良盐碱地的目的[16]。此外，所产生的碳酸根或碳酸氢根离子可被作物根系吸收并输送到叶片进行光合作用，有利于作物生长发育[17‒18]。然而，由于CO₂在水中的溶解度低，溶解的CO₂很容易被解吸到空气中。因此，如何快速、稳定地将CO₂溶解到灌溉水中并避免运输过程中CO₂的解吸，是CO₂农业利用的关键。

早在“十一五”期间，我们团队就开展了CO₂捕集、纯化及应用研究，发展了系列超重力捕集、纯化设备及技术[19‒20]。针对农业CO₂利用和土壤改良的巨大需求，考虑到超重力技术在增强传质和分散方面的优势，我们发明了一种新型的超重力连续溶碳-输送一体化技术（HCDT）。该技术被用于水（包括灌溉水、海水等）吸收和分散CO₂（纯CO₂或含CO₂的气体）的过程，以制备富CO₂灌溉水。同时，该技术中的设备可以作为泵对水加压，输送富CO₂灌溉水用于农业灌溉。基于这些技术，我们提出了一种新的CO₂利用路线：利用碳捕集技术捕集和纯化工业CO₂，然后采用HCDT制备富CO₂灌溉水，用于农业、海水养殖和土壤改良，如图1所示。

4 实施效果

4.1 技术性能

首先，我们系统研究了HCDT连续溶解/分散CO₂的过程。研究发现，所制备的富CO₂灌溉水经过激光照射后出现了明显的散射现象[图2（a）]，表明在该过程中生成了大量纳米气泡[21]。激光粒径分析表明，分散的CO₂气泡平均粒径约为230 nm，粒径分布范围在150~400 nm之间[图2（b）]。在将所制备的富CO₂灌溉水密封储存24 h后，仍可检测到平均粒径约为171 nm（主要分布在120~250 nm）的纳米气泡，说明CO₂纳米气泡可在水中稳定分散较长时间，并缓慢溶解，从而维持水体中CO₂浓度与pH值。

通过优化操作条件，该工艺的CO₂利用率几乎可以达到100%。如图3所示，制备的富CO₂灌溉水的pH值可降至5.2左右，同时可通过操作条件（包括气体中CO₂浓度、转速、气液比、灌溉水盐浓度等）调节pH。即使所用气体CO₂浓度较低，制备的富CO₂灌溉水的pH值也能长期保持在6以下，可以满足农业灌溉的需要。因此，新型的HCDT可利用低CO₂浓度的工业气体（如工业烟气和尾气）制备富CO₂灌溉水。

为了验证富CO₂灌溉水的稳定性，分别对敞口和闭口两种条件进行了长期稳定性实验。在实验条件（转速=1200 r·min^-1；气液比= 1.5；气量= 12.5 L∙min^-1；气体中的CO₂浓度= 100%；灌溉水的盐浓度= 2 g∙L^-1；温度= 298 K；储存前pH = 4.98）下发现：敞口储存12 d（pH = 5.88）和闭口储存14 d（pH = 5.76）后，富CO₂灌溉水pH均稳定在6以下。由于HCDT设备具有较高的传质效率和气泡分散效果，CO₂可以连续快速溶解并分散为纳米CO₂气泡，使滴灌时设备出口处和灌溉点的pH值基本一致。

4.2 技术表现

此外，我们还研究了采用HCDT技术所制备的富CO₂灌溉水对土壤环境和作物生长的影响。除灌溉用水差异外，其他条件均保持一致。对比研究结果表明，使用井水配制的富CO₂灌溉水灌溉后的渗出液pH值和土壤电导率均低于无CO₂井水灌溉后的渗出液。这是由于溶解度较低的碳酸盐与水中的CO₂反应生成溶解度较大的碳酸氢盐，并且部分碳酸氢盐会随着过量灌溉水排走。经过一个作物周期富CO₂灌溉水灌溉后，土壤总含盐量降低了9.6%，说明该技术可以显著改善土壤盐碱环境。此外，在使用富CO₂灌溉水进行灌溉的过程中，作物生长环境中的CO₂含量增加了150~180 ppm，利于植物生长。

对作物的生长过程进行研究后发现，在相似的播种和生长条件下，采用HCDT后，作物的生长速度显著提高。例如，使用富CO₂灌溉水灌溉的水稻根尖的总长度、平均直径、表面积和体积均高于井水灌溉的植株，其数值分别提高了29.31%、10.29%、29.72%和17.24%。在其他作物种植过程中也有类似现象。此外，土壤环境的改善以及使用富CO₂灌溉水灌溉后作物生长环境中的CO₂/CO₃^2-/HCO₃^-浓度增加，使得作物产量相对于使用井水灌溉的产量显著提高。例如，番茄、水稻、玉米和芹菜的产量分别提高了的27%、21%、31%和40%（图4）。此外，该技术的能耗（不含CO₂运输成本）低于6元·t^-1 CO₂，成本不到CO₂捕集与净化工艺的四十分之一；其总体成本也不足作物增产所带来平均经济收益的十分之一。

5 总结和展望

综上所述，HCDT是一种全新的低成本CO₂捕集与资源化利用技术。该技术可用于制备稳定的富CO₂灌溉水，并作为新型肥料用于提高作物产量并改善土壤质量，从而为中国乃至全球实现碳达峰与碳中和目标提供重要的技术支撑。若该技术在全国范围内推广应用，预计可改良盐碱地约3300万公顷。以常见农作物增产约20%计算，其每年带来的经济效益将超过4000亿元，同时每年可资源化利用CO₂达1.5亿吨，实现显著的减排效果。未来，HCDT还可拓展应用于海水养殖、设施农业等多个领域，从而实现CO₂的广泛资源化利用，这不仅有助于改善人类居住环境，也可带来可观的经济效益，构建一条绿色、经济的“双碳”目标实现路径。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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Received	Accepted	Published

Issue Date
2025-05-14

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