新型DMEA/3-DMAPA混合物在高效燃烧后二氧化碳捕获中的应用：吸附-解吸性能、热力学建模、动力学研究以及13C核磁共振和傅里叶变换红外光谱分析

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Novel DMEA/3-DMAPA Blend for Efficient Post-Combustion CO 2 Capture: Absorption-Desorption Performance, Thermodynamic Modeling, Kinetics, 13C NMR and FTIR Analysis

本文研究DMEA与3-DMAPA胺水混合物在实验室气泡吸收柱中的CO?吸收性能，考察温度、CO?分压、溶剂浓度及3-DMAPA摩尔分数的影响。结果显示混合物CO?最大负载率达1.083 mol/mol胺，较MEA提升50.29%循环容量，再生能耗降低33.07%，并验证了其热力学模型及化学稳定性。

　　随着全球气候变化问题的日益严峻，碳捕集与封存（CCS）技术作为减少温室气体排放的重要手段，正受到越来越多的关注。特别是在燃烧后碳捕集领域，化学吸收技术因其对现有设施的兼容性、较低的初始投资成本以及易于集成等优势，成为当前研究的热点。在这一背景下，科学家们不断探索新的溶剂体系，以期在提高碳捕集效率的同时降低能耗和成本。本文中，研究人员开发了一种新型的水相胺混合物，由N,N-二甲基乙醇胺（DMEA）和3-(二甲氨基)-1-丙基胺（3-DMAPA）组成，并在实验室规模的气泡吸收柱中对其进行了实验研究，以评估其在不同操作条件下的碳捕集性能。

研究表明，这种混合溶剂在多个关键过程变量的影响下表现出显著的优势。操作温度、CO?分压、溶剂浓度以及3-DMAPA在混合物中的摩尔分数等因素均对CO?的负载量、循环能力、吸热和再生能耗等指标产生影响。实验数据显示，该混合物的CO?最大负载量达到了1.083 mol CO?/mol胺，这比单一的乙醇胺（MEA）的负载量有了明显的提升。同时，该混合物的平均吸热值为-65.74 kJ/mol，显著低于MEA的-85.13 kJ/mol，表明其在再生过程中所需的能量更少。这种能量的减少对于实现可持续的碳捕集过程具有重要意义，因为再生能耗通常占整个操作成本的75%-80%。

为了更准确地预测该混合物的平衡CO?负载量，研究人员开发了两种模型：一种是半经验的Kent-Eisenberg热力学模型，另一种是经验模型。这两种模型在预测结果上与实验数据之间表现出良好的一致性，其平均绝对偏差分别控制在1.44%和1.894%的范围内。这一结果不仅验证了模型的可靠性，也为后续的工程应用提供了理论支持。此外，通过多种吸收-解吸循环实验，研究人员发现该混合物具有稳定的性能和较低的降解率，这进一步证明了其可重复使用的特性。

在与单一胺溶剂的比较中，该混合物表现出协同效应。具体而言，它在CO?负载量方面比MEA提高了50.29%，同时在再生能耗方面降低了33.07%。这种协同效应使得混合物在实际应用中具有更高的经济性和环境友好性。同时，吸收和解吸速率的研究也表明，该混合物的反应动力学优于MEA，这表明其在实际操作中能够更快地完成CO?的捕集和释放过程，从而提高整体的效率。

为了进一步验证该混合物的化学组成，研究人员进行了13C核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。这些分析不仅确认了混合物中存在碳基化学物质，还通过定量13C NMR分析揭示了这些物质的具体结构和分布情况。这些实验数据为混合物的性能提供了坚实的化学依据，同时也为其在工业应用中的可行性提供了支持。

在工业应用方面，燃煤发电厂、天然气燃烧、水泥生产、石油精炼和钢铁制造等行业是CO?排放的主要来源。其中，燃煤发电厂的CO?排放浓度最高，达到12%-15%，而钢铁制造行业的排放浓度则高达20%-44%。因此，这些行业对高效、经济的碳捕集技术有着迫切的需求。相比之下，MEA虽然在CO?捕集方面表现出色，但其较高的吸热和再生能耗限制了其广泛应用。而DMEA作为一种三级胺，其吸热较低，但反应动力学较慢，因此需要与其他活性胺如3-DMAPA结合使用，以提高整体的反应速率和CO?负载能力。

3-DMAPA作为一种含有初级和三级胺官能团的化合物，其结构特点使其在CO?捕集方面具有独特的优势。初级胺官能团能够加快反应速率，而三级胺官能团则有助于提高CO?负载能力并降低吸热，从而减少再生能耗。这种结构的协同效应使得3-DMAPA成为一种高效的CO?捕集溶剂。同时，DMEA的合成原料来源于可再生资源，这使其在环保方面具有一定的优势。这些特性使得DMEA和3-DMAPA的混合物成为一种具有潜力的替代方案，能够在提高CO?捕集效率的同时降低能耗和成本。

在实验过程中，研究人员使用了不同比例的DMEA和3-DMAPA混合物，并在恒定温度下测试了其在不同CO?分压下的性能。通过这些实验，研究人员不仅评估了混合物的CO?负载能力，还研究了其循环能力和再生效率。实验结果表明，该混合物在各种操作条件下均表现出良好的性能，这为其在实际工程中的应用提供了依据。此外，通过吸收和解吸速率的研究，研究人员发现该混合物在动力学方面优于MEA，这表明其在实际操作中能够更快地完成CO?的捕集和释放过程，从而提高整体的效率。

在与其他胺溶剂的比较中，该混合物的性能优势尤为突出。例如，与MEA相比，该混合物的CO?负载能力提高了50.29%，而再生能耗降低了33.07%。这些数据表明，该混合物不仅能够有效捕集CO?，还能显著降低整个过程的能耗。这在实现碳中和目标的过程中具有重要意义，因为降低能耗有助于减少碳排放，提高整个系统的可持续性。此外，该混合物的热稳定性也得到了验证，这表明其在长期运行中能够保持良好的性能，不会因温度变化而出现明显的降解。

为了进一步验证该混合物的性能，研究人员进行了多次吸收-解吸循环实验。实验结果显示，该混合物在多次循环后仍能保持较高的CO?负载能力和再生效率，这表明其具有良好的循环稳定性。这种稳定性对于实际应用至关重要，因为许多碳捕集技术在多次循环后会出现性能下降，从而影响其经济性和环境友好性。相比之下，该混合物在多次循环后仍能保持稳定，这使其成为一种具有潜力的替代方案。

在实际应用方面，该混合物的性能优势使其成为一种有吸引力的解决方案。其较高的CO?负载能力和较低的再生能耗不仅能够提高捕集效率，还能降低整个过程的运营成本。此外，该混合物的热稳定性和循环稳定性也使其能够在多种工业条件下保持良好的性能。这些特性使得该混合物在实现碳中和目标的过程中具有重要的应用价值。

综上所述，该研究开发了一种新型的水相胺混合物，其在CO?捕集方面表现出显著的优势。通过实验和理论模型的结合，研究人员验证了该混合物的性能，并发现其在多个关键指标上优于MEA。这些结果不仅为新型碳捕集技术的发展提供了方向，也为实现碳中和目标提供了可行的解决方案。此外，该混合物的环保性和经济性也使其成为一种具有广泛应用前景的替代方案。