用于循环二氧化碳捕获、海水淡化和碳酸盐副产品回收的混合氨基酸功能溶剂在闭环系统中的应用

《Desalination and Water Treatment》：Hybrid Amino-Functional Solvents for Circular CO? Capture, Desalination, and Carbonate Byproduct Recovery in a Closed-Loop System

本研究开发了一种结合CO?捕集与盐水软化的混合溶剂系统，通过在MEA/PZ体系中添加多官能团氨基酸（L-赖氨酸、L-精氨酸），显著提高了CO?吸收能力（达27.5 mmol/L）和钙离子去除效率（94%），并验证了溶剂在10个循环中的稳定性（容量损失6-10%）。FTIR和XRD分析证实了碳酸钙的均匀结晶，微观结构显示1-5 μm的规则晶粒。通过响应面法优化了吸收时间（76 min）和温度（323 K），平衡了CO?吸收（25.82 mmol/L）与再生效率（22.63 mmol/L）。研究为碳捕集与水处理耦合提供了新路径。

　　随着全球对减少二氧化碳排放和处理盐水废流的需求日益增长，开发能够同时实现气体捕获和水处理的溶剂系统变得至关重要。传统胺类吸收剂，如单乙醇胺（MEA）和哌嗪（PZ），虽然在CO?捕获方面表现出色，但其高能耗和难以与资源回收相结合的局限性限制了其在更综合环境中的应用。为了弥补这一不足，研究探索了将多功能氨基酸与传统胺类溶剂结合的可能性，以期在提升CO?吸收能力的同时，实现盐水软化和碳酸盐副产物回收。

在本研究中，通过将赖氨酸、精氨酸和丙氨酸等氨基酸与MEA和PZ结合，形成混合溶剂系统，评估其在CO?捕获和盐水处理中的性能。实验结果显示，赖氨酸的加入显著提高了CO?的吸收能力，达到27.5 mmol/L，相比MEA+PZ的19.5 mmol/L提升了41%。精氨酸的加入也带来了24.5 mmol/L的吸收能力，比MEA+PZ提升了25%。而丙氨酸的提升相对较小，仅达到21 mmol/L，比MEA+PZ增加了7.7%。这种差异可能源于氨基酸的分子结构复杂性，其中赖氨酸和精氨酸提供了更多的反应位点，从而增强了CO?的吸收能力。

在盐水处理方面，实验测试了这些混合溶剂对钙和镁离子的去除效率。MEA+PZ混合溶剂在钙去除方面表现出78%的效率，而赖氨酸的加入使钙去除效率提高至94%，精氨酸则达到90%。镁离子的去除效率相对较低，通常在18%到24%之间，这可能与镁碳酸盐的溶解度和沉淀动力学有关。这些结果表明，赖氨酸和精氨酸在促进钙碳酸盐形成方面具有显著优势，而镁的去除则受限于其在溶液中的高溶解度和较低的沉淀倾向。

为了进一步验证这些混合溶剂的性能，研究采用了响应面方法（RSM）进行优化。通过RSM分析，确定了最佳操作条件，即吸收时间为76分钟，吸收温度为323 K。在这些条件下，预测的CO?吸收能力为25.82 mmol/L，而再生过程中的CO?释放量为22.63 mmol/L。这些结果不仅表明混合溶剂在吸收和释放CO?方面具有良好的性能，还展示了其在连续操作中的可行性。

实验还评估了这些混合溶剂在多次吸收-再生循环中的稳定性。结果显示，经过10次循环后，CO?吸收能力和钙去除效率分别下降了6.2%和9.8%，表明这些溶剂在实际应用中具有一定的再利用潜力。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）等分析手段，确认了碳酸盐的形成和其结晶特性。这些分析结果进一步支持了混合溶剂在盐水软化和资源回收中的应用前景。

研究还探讨了这些混合溶剂在工业规模应用中的可行性。考虑到实际操作中可能遇到的溶剂损失、结垢风险和再生过程中的高能耗问题，提出了通过周期性溶剂回收、抗结垢剂添加和控制结晶种子来优化系统性能的策略。此外，初步的能源平衡分析表明，尽管赖氨酸和精氨酸的加入可能增加溶剂的某些特性，但其对单位能耗的影响在可接受范围内，表明这些混合溶剂具有一定的经济性和环境友好性。

综上所述，本研究展示了多功能氨基酸与传统胺类溶剂结合的潜力，不仅提高了CO?的捕获效率，还促进了盐水软化和碳酸盐副产物的回收。这些成果为实现碳管理与盐水处理的集成提供了新的思路，同时也为未来在更大规模上应用这些混合溶剂奠定了基础。进一步的研究应关注提高镁离子的去除效率、延长溶剂的使用寿命以及评估其在实际工业条件下的综合性能，以推动这一技术在碳捕集和水处理领域的广泛应用。