新型 AEEA-DEHA-H2O 双相溶剂助力高效 CO2捕集：性能提升与机制探究

为解决传统 30wt% MEA 溶液捕集 CO2能耗高、双相溶剂富相粘度大等问题，研究人员开展 AEEA-DEHA-H2O 双相溶剂体系研究。结果表明 30A40D30H 体系性能最佳，能耗降低 20.5%。该研究为 CO2捕集提供新思路。

　　在全球变暖的大背景下，二氧化碳（CO₂）作为主要的温室气体，其排放量的持续增加正严重威胁着地球的生态环境。为了有效缓解这一危机，碳捕获、利用与封存（CCUS）技术应运而生，成为了减少 CO₂排放的关键策略之一。在众多的 CO₂捕获方法中，化学吸收法凭借其高效性被广泛应用，其中 30wt% MEA（单乙醇胺）溶液是工业上常用的吸收剂。然而，这种传统吸收剂存在一个重大缺陷，那就是其胺水溶液再生时的能耗极高，可达到 3.2 - 4.0 GJ/tCO₂ 。如此高的能耗使得 CO₂捕获成本大幅增加，严重限制了其在工业领域的大规模应用。

与此同时，双相溶剂因其在吸收 CO₂后能形成两个不互溶的相，近年来在 CO₂捕获过程中受到了越来越多的关注。这类溶剂不仅吸收容量比传统的 30wt% MEA 溶液高出 1.5 到 2 倍，而且通过仅对吸收后的富 CO₂相进行再生，可将再生能耗显著降低至 1.81 - 2.50 GJ/t CO₂ 。不过，美中不足的是，大多数混合胺双相溶剂在吸收 CO₂后，富相的粘度往往较高，这不仅会阻碍传质过程，还可能导致工业应用中的管道堵塞问题。因此，开发一种低粘度、相稳定性好且能耗低的吸收剂成为了当前研究的热点与关键。

为了攻克这些难题，国内的研究人员开展了一项关于利用 DEHA 作为粘度调节剂的双相溶剂体系用于 CO₂吸收的机制研究及性能提升的探索。他们精心设计并深入研究了 AEEA-DEHA-H₂O 液 - 液双相溶剂系统，旨在全面揭示该体系在 CO₂吸收过程中的各种特性及潜在机制。这项研究成果发表在《Carbon Capture Science 》上，为 CO₂捕获领域带来了新的曙光。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先，通过一系列的吸收 - 解吸实验，精确测定了不同组成比例下 AEEA-DEHA-H₂O 体系的 CO₂吸收和解吸性能，包括吸收量、解吸量、吸收速率和解吸速率等关键指标。其次，采用¹³C NMR 表征技术，对体系在 CO₂捕获过程中的物质变化进行了深入分析，以确定反应产物和各成分的分布情况。此外，借助量子化学计算，从理论层面探究了 CO₂吸收的反应机制和相分离机制，为理解体系的内在行为提供了有力的理论支持 。

CO₂捕获性能

1. 胺浓度和相分离：研究人员对 AEEA/DEHA/H₂O 体系进行了系统研究，考察了胺浓度对相分离特性的影响。结果发现，在低水含量（10 - 40%）条件下，DEHA/AEEA 混合胺在吸收 CO₂后倾向于发生相分离。进一步研究表明，当 AEEA 浓度固定为 30wt% 时，只有在水含量为 10% - 40% 的范围内才会发生相分离。而且，随着 DEHA/H₂O 比例的增加，富相体积分数逐渐减小，粘度降低，这表明较高的 DEHA/H₂O 比例有助于提高两相的分离效率和溶液的流动性。
2. CO₂吸收和解吸性能：在不同 DEHA/H₂O 浓度下，研究人员对双相吸收剂的吸收和解吸性能进行了详细研究。结果显示，随着水含量的增加，吸收容量先上升后下降，在水含量为 30% 时，30A40D30H 体系达到最大吸收容量 0.93 mol CO₂?mol^?1胺。解吸性能方面，随着水比例的增加，解吸量同样先上升后下降，30A40D30H 体系在水含量为 30% 时达到最大解吸量 0.71 mol CO₂?mol^?1胺，解吸效率为 76%。综合各项性能指标，30A40D30H 体系表现最佳。

30A40D30H 体系

1. 负载和体积分布：针对 30A40D30H 体系，研究人员进一步探究了其 CO₂负载分布和体积分布随时间的变化。结果发现，随着吸收时间的延长，CO₂在富相中的负载比例不断增加，50min 时达到饱和，此时 99% 的 CO₂集中在富相。在体积分布方面，相分离在 CO₂吸收的前 5min 内发生，随着吸收时间的推进，富相体积分数逐渐增加，50min 时达到 57.3%，这表明该体系能够在保持较高 CO₂负载能力的同时，维持较低的富相体积分数。
2. 粘度和密度：研究人员还考察了 30A40D30H 体系在不同 CO₂负载下的密度和粘度变化，并与 30wt% MEA 溶液进行了对比。结果表明，随着 CO₂负载的增加，体系下层富相的密度和粘度显著增加，而上层贫相的密度和粘度变化较小。这主要是由于下层富相主要由水和 CO₂反应产物组成，而这些产物的密度和粘度较高；上层贫相则主要由 DEHA 组成，其密度和粘度相对较低。
3. 循环和能量消耗：吸收剂的循环稳定性对于 CO₂捕获至关重要。研究人员对 30A40D30H 双相溶剂的循环稳定性进行了测试，结果显示，该体系在经过 10 次吸收 - 解吸循环后，仍能保持较高的吸收容量，约为 0.7 mol CO₂?mol^?1胺，是 30wt% MEA 的 1.43 倍。在能量消耗方面，30A40D30H 体系的总再生能耗为 3.02 GJ/tCO₂ ，相比 30wt% MEA 体系降低了 20.5%，展现出了良好的节能潜力。
4. 影响相分离时间的因素：相分离时间是双相吸收剂的一个关键参数。研究人员通过实验测定了 30A40D30H 体系的相分离时间，并考察了胺浓度、温度、气体流速和反应器高径比等因素对其的影响。结果发现，相分离时间一般随 CO₂负载的增加而延长，随温度的升高而缩短。此外，较大的 CO₂气体流速和较高的反应器高径比会增加相分离时间。

影响粘度的因素

研究人员对影响体系粘度的因素进行了深入探究。结果发现，随着 CO₂吸收负载的增加，下层液相的粘度显著上升，而贫相的粘度则随吸收负载的增加而降低并最终趋于稳定。温度升高时，体系各相的粘度均会下降，这是由于温度升高会削弱分子间的相互作用。此外，胺浓度对上层液相粘度影响较小，但对下层液相粘度影响显著，且富相粘度与 DEHA 浓度呈正相关。

机制分析

1. ¹³C NMR 表征：利用¹³C NMR 表征技术，研究人员对 AEEA/DEHA/H₂O 体系在 CO₂捕获过程中的组成变化进行了分析。结果表明，下层相为富 CO₂相，其中存在 AEEA 衍生的氨基甲酸盐、质子化胺和 CO₃^2?/HCO₃^?等反应产物。同时，¹³C NMR 光谱显示，AEEA 与 CO₂反应时，其伯胺氮原子更易与 CO₂发生反应。
2. 反应机制：基于¹³C NMR 研究结果，研究人员通过量子化学计算对 AEEA-DEHA-H₂O 相变溶剂吸收 CO₂的反应机制进行了深入研究。结果表明，AEEA 与 CO₂的反应遵循两性离子机制，CO₂更倾向于与 AEEA 的伯胺基团反应。反应生成的两性离子可进一步与 AEEA 和 DEHA 反应，生成氨基甲酸盐和质子化胺。此外，研究还发现，CO₂与水的反应在该体系中不是主要的反应途径。
3. 相变机制：研究人员通过计算分子偶极矩、分析静电势（ESP）表面和非共价相互作用（NCI）等方法，对 AEEA-DEHA-H₂O 体系的相变机制进行了探究。结果表明，AEEA 相关产物的高极性使其易于通过静电吸引、范德华力和氢键聚集形成富 CO₂相，而极性较低的 DEHA 相关产物则迁移到上层形成贫 CO₂相。

综上所述，该研究成功设计了一种新型的 AEEA-DEHA-H₂O 双相吸收剂，其具有优异的吸收 - 解吸性能和较低的粘度。通过系统研究不同 AEEA 与 DEHA 比例对体系性能的影响，确定了 30A40D30H 体系为最佳组成。该体系在 CO₂捕获方面表现出色，吸收容量高、解吸效率高、循环稳定性好且再生能耗低。此外，研究人员还深入探究了体系的相分离动力学、粘度影响因素以及反应和相分离机制，为新型液 - 液双相溶剂的开发提供了重要的理论依据，有望推动 CO₂捕获技术的进一步发展，助力全球应对气候变化挑战。