温室气体引起的气候问题逐渐成为全球关注的焦点,控制CO₂的排放成为应对该问题最重要的技术路线之一。但是,能耗问题是制约碳捕集技术大规模应用的重要技术瓶颈。本文从能量转化的角度引入热力学碳泵这一概念作为能耗分析的理论原点,包括基础概念、理论模型和评价指标等。其中,理想能耗表征捕集过程的难易程度,实际捕集能耗表征实际捕集每单位CO₂所需的能量,第一定律效率表征碳泵富集过程的能效性能,第二定律效率表征实际过程中能耗距离理想过程能耗的相对程度。此外,在初步建立热力学碳泵理论的基础上,针对具体碳捕集技术的热力学碳泵系统模型进行更进一步的分析。对于变温吸附碳捕集（TSA）技术,首先构建描述该过程的数学模型,通过数值计算的方法讨论了关键参数原料气中CO₂浓度、吸附温度和解吸温度对其能效性能的影响。在本文设计工况下,使用沸石13X吸附材料的TSA系统的第二定律效率在4.51%-17.94%之间。提高原料气中CO₂浓度、降低吸附温度或提高解吸温度可以降低捕集能耗并提高热力学第二定律效率。此外,吸附塔外壁能耗占比最高,约为42%-52%。对于变压吸附碳捕集（PSA）技术,自主设计和搭建了一台单塔四步的真空变压吸附碳捕集装置,吸附材料是分子筛HYG10E,讨论了实验的循环参数原料气中CO₂浓度、吸附压力和吹扫流量对变压吸附碳捕集能效性能的影响。在实验工况下使用分子筛HYG10E吸附材料的实验系统的第二定律效率在2.13%-3.62%之间。提高原料气中CO₂的浓度、提高吸附压力或者减小吹扫气流量可以提高捕集过程的第二定律效率。此外,真空泵具有最大的节能潜力,对第二定律效率的提升影响较大。