真空泵在直接空气捕集（DAC，Direct Air Capture）碳捕集技术中的应用
真空泵在DAC系统中的作用原理和工作机制
在直接空气捕集（DAC）系统中，真空泵主要用于再生阶段，通过在吸附床周围创造低压环境来降低CO₂的分压，从而促进CO₂从吸附剂表面解吸。例如，在某公司的DAC流程中，风扇首先将空气送入含胺过滤器捕获CO₂，然后关闭进气通道、升温至80–100 ℃，再开启真空泵使吸附剂上的CO₂脱附并被抽出。真空泵同时需抽除伴生的水蒸气，避免凝结堵塞装置，因此常采用耐湿耐腐的无油泵型。总之，热再生与真空抽吸协同作用使被捕获的CO₂高纯度脱附并收集，为后续封存或利用做好准备。
常见真空泵类型及特点
DAC系统中常用的真空泵类型包括干式螺杆泵、干式爪式泵（类Roots结构）、液环泵等，它们各自在抽速、极限真空、耐水尘能力等方面各有优势。以下是主要泵型的比较概述：
干式螺杆泵 – 属于正位移无油泵，由两根啮合螺杆驱动压缩气体。其极限压力可达约10⁻³～10⁻² mbar，额定抽速可从几十到上千m³/h，适合连续运行和大流量应用。干式螺杆泵无内部润滑接触，能耐湿热气体且摩擦损耗小，维护保养较少，被视为DAC再生中的高效能方案。
爪式泵（干式Roots泵） – 也属于干式正位移泵，内部无油无接触。通常与前级泵串联用作增压，可将极限真空扩展至数十mbar以内，具有极高的抽速（数百至上千m³/h）。Climeworks的DAC装置中即使用Busch公司MINK型爪泵来低压抽取CO₂。爪泵结构简单、寿命长，但要达到超高真空常需多级串联，与旋片泵等搭配使用。
液环泵 – 内置工作液（通常为水）形成液环，适合抽取高湿度和含有颗粒的气体流。液环泵能自动带走气中的水分，耐腐蚀性好，噪音低，维护需求小，常用于连续运行场合。Edwards公司报道，其液环泵已在北美多个物理吸附DAC项目中使用，因抗颗粒、免润滑等特点而具备良好的稳定性。其极限真空受工作液蒸气压限制，一般约20–50 mbar。
涡轮分子泵 – 属于高真空泵，可在10⁻³ mbar以下运行，提供极高的真空度。但涡轮泵抽速相对较小、耗能较大，且需前级粗抽泵配合才能工作。由于成本高且对气体纯度要求严格，涡轮泵主要用于实验室或分析级的超高真空环境，在大规模DAC中不常作为主力泵型。
DAC项目中的应用实例与技术部署
目前全球DAC项目快速部署，真空泵作为核心设备被广泛采用。冰岛某公司建成的工厂采用欧美厂商的爪式干泵对固体吸附剂进行真空再生，将捕获的CO₂注入玄武岩地层封存。美国某企业的技术基于多孔固体吸附剂，使用低温真空吸附/脱附循环捕集空气中的CO₂。许多真空泵厂商也报告其干泵和增压系统已在北美DAC装置中验证，可支持从试点到规模化的需求。主要真空设备供应商，他们提供包括螺杆泵、液环泵、无油爪泵等系列产品，用于不同DAC工艺路线。总的来看，DAC项目一般选用耐水耐尘、能效较高的干泵或液环泵组合，以满足长周期运行和自动化要求
能耗、运行成本与维护需求
真空泵在DAC系统总能耗中占有重要份额。研究表明，真空回路（TVSA过程）对每吨CO₂的能耗约为100–300 kWh。而风机驱动空气流动的能耗更高，可达300–900 kWh/tCO₂，占总能耗的20–40%。深度抽真空固然能提高CO₂脱附效率和纯度，但会显著增加真空泵的功耗。因此，在设计时需在能效和回收率之间权衡：适度提高舱内压力（降低抽真空深度）可减少电力消耗，但会降低CO₂产率。
就经济性而言，真空泵的运行成本主要来源于电费和维护成本。现代干式真空泵（如螺杆泵、爪泵）无油润滑、内件非接触，摩擦损耗极低，寿命长、维护量小。液环泵结构简单，耐腐蚀性强，虽然需要补充水或其他工作液，但往往可多年保持稳定运行；Edwards指出其液环泵在连续DAC作业中维护需求极低。总体来看，真空泵设备的资本投入和运维费用已随着技术成熟而下降，但其对电力的需求仍是DAC系统成本和可行性的重要影响因素之一。
最新研究进展与技术前景
随着DAC技术发展，脱附方式和真空泵技术不断创新。一些研究提出蒸汽/水蒸气促脱附策略，通过引入水汽载热或水分解来显著降低系统对深真空和高温的依赖。例如，在2024年报道了一种原位水蒸汽辅助脱附方法：在约100 ℃时利用浓缩水蒸气促使CO₂解吸，原型机在无真空泵和蒸汽锅炉的情况下即可实现97.7%的CO₂纯度和同时产水。这种“蒸汽促进脱附”不仅提高了CO₂解吸效率，还将整体能耗降低20%，显著提升了DAC的经济性。此外，催化-膜结合的再生技术、低温余热驱动工艺等也正在探索中。
在设备层面，真空泵厂商持续推出更高效、智能化的产品。一些公司采用可变频调速控制、磁悬浮涡轮轴承等技术提高真空泵效率并延长寿命，支持循环运行模式。系统集成方面，已有方案将真空泵与鼓风机、冷凝器等模块耦合，通过废热回收和水汽冷凝来进一步节能加速再生过程。展望未来，随着新型吸附材料（如MOF、超疏水改性吸附剂等）的开发和数字化控制、预测性运维技术的应用，DAC真空系统的能效和可靠性将持续提升，使DAC成为更具经济性和可持续性的负碳技术。
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