MDEA与L-精氨酸混合溶剂密度、粘度及热力学性质研究：二氧化碳捕集潜力评估

本研究系统考察了L-精氨酸(Arg)作为促进剂对甲基二乙醇胺(MDEA)水溶液密度、粘度及热力学性质的影响，通过测量293.15–323.15 K温度范围内不同浓度配比下的物性参数，建立了VTF和Eyring-Wilson模型，揭示了该体系在CO2捕集过程中的体积收缩效应(VE<0)和粘度正偏差(Δη>0)特性，为工业级碳捕集溶剂开发提供了关键数据支撑。

　　

研究背景

全球减排需求推动CO₂捕集技术发展，胺法吸收作为主流工艺面临吸收速率与能耗的平衡难题。甲基二乙醇胺(MDEA)虽具有低降解率优势，但其CO₂吸收动力学缓慢。近年研究发现氨基酸类促进剂可显著改善性能，其中L-精氨酸(Arg)因其环境友好性和独特分子结构（含-NH₂与-COOH双官能团）展现出特殊潜力。前期研究表明Arg能提升MDEA在低CO₂分压(<20 kPa)下的负载量，且兼具缓蚀功能，但缺乏系统物性研究支撑工业设计。

实验方法

采用安东帕SVM 3000流变仪测定1-3 M MDEA与0-0.2 M Arg混合体系的密度和粘度，温度范围覆盖典型工业操作条件(293.15-323.15 K)。通过ASTM标准校准设备，确保密度精度达±0.00005 g/cm³，粘度精度±0.1%。基于实验数据计算热膨胀系数(α_P)、过量摩尔体积(V^E)、粘度偏差(Δη)等参数，并采用VTF方程和Eyring热力学模型进行关联分析。

关键发现

1. 密度特性：所有体系密度随温度升高线性下降，线性模型相关系数R²>0.995。Arg添加导致V^E持续为负值（最大-0.502 cm³/mol），表明分子间强氢键引起体积收缩。热膨胀系数α_P介于(3.84-5.28)×10^-4 K^-1，符合典型有机液体规律。

2. 粘度行为：动态粘度随Arg浓度增加显著上升（如3 M MDEA+0.2 M Arg在293 K达6.109 mPa·s），归因于Arg分子形成三维氢键网络。VTF模型完美拟合温度依赖性（AARD%<8.975），参数B_η反映Arg显著提高流动活化能。

3. 模型对比：Eyring-Wilson模型以2.53%的AARD显著优于Eyring-NRTL模型(36.75%)，其关键相互作用参数λ₁₃=90704.95揭示水-Arg间存在特殊作用机制。

4. 活化参数：3 M MDEA体系活化能(E_a)达25.243 kJ/mol，ΔG计算显示焓驱动(ΔH贡献>60%)特性。值得注意的是，ΔH随Arg添加呈先升后降趋势，在2 M MDEA时出现拐点，暗示存在最优配比。

工业意义

研究建立的物性数据库和模型可直接用于吸收塔设计，其中粘度数据特别有助于计算液相传质系数。Arg的引入使体系在保持MDEA低再生能耗优势的同时，通过调控氢键网络改善吸收动力学。但需注意粘度上升可能增加泵送能耗，建议后续研究平衡吸收效率与流体输送成本。

创新点

首次系统表征MDEA-Arg-H₂O三元体系热力学性质，突破传统仅关注吸收性能的研究范式。提出α_P与V^E的协同分析框架，为溶剂分子设计提供新思路。实验验证了Wilson模型对该体系的适用性，解决了高精度粘度预测难题。