H?O与（聚乙二醇300 + 羟乙基乙二胺）混合体系的物理化学性质及CO?吸收机制

《Separation and Purification Technology》：Physicochemical properties and CO 2 absorption mechanism of H 2O + (polyethylene glycol 300?+?hydroxyethyl ethylenediamine) mixed system

本文系统研究了水含量对H2O+（PEG300+AEEA）混合体系物理化学性质及CO2吸收性能的影响。通过密度、粘度和电导率测试发现，水含量增加在低温时降低粘度并提升导电性，但高温下导致CO2吸收容量峰值达1.11 mol/mol。循环实验表明副产物HEIA和HEOD形成是吸收能力下降的主因，但体系最终达到新化学平衡。光谱分析证实氢键网络重构机制。

　　在当前全球气候变化日益严峻的背景下，大气中二氧化碳（CO?）浓度的持续上升成为各国关注的焦点。这一现象主要源于化石燃料的大量消耗以及人类活动的加剧，被认为是全球气候变暖的主要驱动力之一。气候模型预测，如果不及时采取措施减少CO?排放，到本世纪末全球平均气温可能上升超过2℃，这将引发一系列严重的生态和社会经济问题，如极端天气事件、冰川加速融化以及海平面上升等。因此，实现“碳达峰”和“碳中和”目标已成为全球共同追求的目标。在众多减排技术中，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术因其能够直接在排放源头减少工业CO?排放而受到广泛关注。该技术通过分离、捕集和储存CO?，有效降低了整体碳排放，是实现气候治理目标的重要途径之一。

基于捕集时间与方式的不同，CO?捕集技术可分为三种类型：预燃烧捕集、后燃烧捕集和富氧燃烧捕集。其中，后燃烧捕集由于其技术成熟度高，且与现有工业基础设施具有良好的兼容性，已成为当前工业应用中的主流方法。化学吸收作为后燃烧捕集技术中应用最为广泛的一种，依赖于基于胺类溶液的可逆反应来实现高效的CO?吸收与再生。该技术的优势在于其流程相对简单，具有较高的选择性和捕集效率，因此在燃煤电厂、天然气净化等领域得到了成功应用。然而，传统的胺类吸收剂如单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和甲基二乙醇胺（MDEA）在实际应用中仍面临诸多挑战，例如高再生能耗、较差的热稳定性、易发生氧化降解、对设备具有较强的腐蚀性等。此外，在多次吸收-解吸循环后，吸收剂的性能会逐渐下降，导致吸收效率降低，增加运行与维护成本。

为了解决这些问题，近年来研究人员致力于开发新型吸收系统，以替代或优化传统的烷醇胺溶液。其中，混合胺系统作为一种相对成熟的技术策略，通常通过将两种或多种胺类物质按特定比例混合，或者在胺类溶剂中引入添加剂如离子液体、有机醇类或聚醚类化合物，来提升CO?的吸收能力、传质性能以及循环稳定性。在这些添加剂中，聚乙二醇（PEG）因其低蒸气压、良好的极性和优异的热稳定性而展现出广阔的应用前景。特别是PEG300，作为一种低分子量且高度亲水性的聚醚，能够通过氢键与烷醇胺形成稳定的网络结构，从而改善溶剂的热力学性质，降低粘度，并增强CO?在溶剂中的扩散能力。

此外，羟乙基乙二胺（AEEA）作为一种含有伯胺、仲胺和羟基功能团的化合物，因其分子内胺基团能够快速与CO?反应生成中间产物，同时羟基能够增强分子间的氢键作用，从而降低溶液的挥发性，提高吸收性能，而被广泛应用于高性能吸收剂或混合系统中。AEEA与PEG300的结合，不仅有效整合了两种物质的优势，还显著提升了CO?的吸收能力，同时增强了溶剂的化学与热稳定性，为新型绿色碳捕集系统的开发提供了有力支持。

为了进一步优化AEEA的CO?吸收性能，同时兼顾传质速率和成本因素，研究者调整了PEG300与AEEA的固定摩尔比，并引入适量的水分子以调节系统的结构与性能。通过系统研究H?O + (PEG300 + AEEA)混合系统的物性特征、分子间相互作用、CO?吸收能力以及循环行为，旨在为新型CO?吸收剂的研发提供理论基础和数据支持，从而推动高效、低碳、可持续的碳捕集技术的发展与应用。

在实验过程中，研究团队对H?O + (PEG300 + AEEA)混合系统的密度和粘度进行了系统的测量，测量范围覆盖了298.15 K至318.15 K的温度区间，并在常压条件下进行。此外，还对系统的电导率进行了测定，实验温度设定为298.15 K。基于这些实验数据，研究者计算了超额摩尔体积（V?E）、粘性流动的活化能超额（ΔG?E）以及粘度偏差（Δη），以揭示系统中分子间相互作用的变化规律。结果显示，随着水含量的增加，系统的密度呈现先升高后降低的趋势，而粘度则显著下降。这种变化趋势表明，水分子在系统中对分子间相互作用产生了重要影响，从而改变了系统的物理化学特性。

为了进一步确认分子间氢键的形成情况，研究团队采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱等技术对H?O + (PEG300 + AEEA)混合系统进行了光谱分析。实验结果表明，H?O与AEEA之间的氢键相互作用主要表现为H?O···HNH-形式，这表明水分子在系统中不仅起到了调节物理化学性质的作用，还显著影响了分子间的相互作用模式。通过这些光谱分析，研究者能够更深入地理解系统中分子间相互作用的本质，为后续研究提供理论依据。

在CO?吸收性能方面，研究团队对不同混合系统的吸收能力进行了系统研究，考察了不同气体流速和水浓度条件下的吸收效果。实验结果表明，随着水含量的增加，系统在高气体流速下的CO?吸收能力显著提升，最终达到1.11 mol CO?/mol AEEA的最大吸收值。这一发现表明，水分子在提高CO?吸收能力方面发挥了重要作用，尤其是在高流速条件下，水的存在能够有效改善吸收效率。然而，值得注意的是，随着吸收循环次数的增加，系统中出现了副产物N-羟乙基-2-咪唑烷酮（HEIA）和3-(2-羟乙基)-2-噁唑烷酮（HEOD），这些副产物的生成是吸收性能逐渐下降的主要原因。随着循环次数的增加，混合系统逐渐达到新的化学平衡状态，吸收性能趋于稳定。

为了进一步分析CO?吸收过程随时间的变化，研究团队还进行了循环吸收实验，并利用拉曼光谱、红外光谱和13C核磁共振（NMR）等技术对吸收过程进行了图形化表征。这些实验不仅揭示了吸收性能的变化趋势，还为理解吸收过程中的分子行为提供了重要的线索。例如，拉曼光谱和红外光谱可以用于监测吸收过程中分子结构的变化，而13C NMR则能够提供关于分子间相互作用的更详细信息。这些技术手段的综合应用，使得研究者能够更全面地掌握CO?吸收的动态过程，从而为优化吸收系统提供科学依据。

此外，研究团队还对混合系统的电导率进行了测量，分析了不同水含量对电导率的影响。实验数据显示，电导率随水含量的增加呈现出明显的非线性增长趋势。特别是在低水含量区域（0 ≤ x? < 0.8），水含量的增加对电导率的影响尤为显著。这一现象表明，水分子在混合系统中不仅对物理化学性质产生影响，还可能对电荷传输行为产生重要作用。因此，水含量的调控不仅有助于提高CO?吸收能力，还可能对系统的电导率产生积极影响，从而影响其在实际应用中的性能表现。

综合来看，H?O + (PEG300 + AEEA)混合系统在CO?捕集领域展现出广阔的应用前景。通过调节水含量，可以有效改善系统的物理化学性质，提高CO?的吸收能力，并增强系统的循环稳定性。然而，随着循环次数的增加，副产物的生成可能会对吸收性能产生负面影响，因此需要进一步研究如何控制副产物的形成，以延长系统的使用寿命并保持其高效的吸收能力。此外，未来的研究还可以探索其他添加剂对系统性能的影响，以及如何通过优化系统组成来进一步提升CO?捕集效率，为实现碳中和目标提供更加坚实的科学基础和技术支持。