利用微流控可视化和计算流体动力学方法对二氧化碳微气泡在流体中的快速吸收动力学进行的定量研究

《Analytical Chemistry》：Quantitative Study on Fast Kinetics of Hydrodynamic Liquid Absorption of CO2 Microbubbles Enabled by Microfluidic Visualization and Computational Fluid Dynamics Method

微流体中CO?微气泡动力学研究表明，三种吸收剂对流动气泡体积变化率达99%于200ms内，吸收效率与吸收剂体积分数正相关至20%。CFD模拟显示气泡与液滴间持续形成涡流，高Peclet数（25,000-42,500）表明对流扩散主导传质过程，显著提升气体溶解效率。

　　

为应对全球变暖危机，液相吸收是碳捕获的主要方法之一。其性能从根本上受到界面质量传递的影响，而这种传递的动力学过程受多种因素调控，包括吸附剂类型、表面积与体积比、传递距离等。本文报道了一项关于CO₂微气泡液动力吸收快速动力学的定量研究。在微流控平台上，使用了三种水性吸附剂——异佛尔酮二胺（IPDA）、单乙醇胺（MEA）和氢氧化钾（KOH）作为连续的流体相，用于吸收分散在流动通道中的气态CO₂，从而形成了一列微气泡。这些流动中的气泡通过配备高速相机的倒置显微镜进行可视化观察，并对其速度和形态进行了定量分析。研究结果表明，CO₂气泡在与吸附剂接触后的100毫秒内迅速减小体积，并逐渐趋于一个稳定的最小尺寸。总体而言，200毫秒内气泡的体积收缩和质量损失可达到99%。吸收效率（mm/s）定义为单位表面积和单位时间内气泡体积的变化量，与溶液中吸附剂的体积分数（vol %）呈正相关；然而当吸附剂体积分数达到20%时，各吸附剂之间的吸收效率没有显著差异。计算流体动力学分析显示，气泡和液体溶液中均不断形成流动涡旋。在气液界面附近，流体元素的局部对流作用显著强于扩散作用（佩克莱特数：25,000–42,500），这极大地促进了CO₂的溶解。我们的研究结果有力证明了：在液体溶液中流动的微型气泡能够显著加速界面质量传递及相关化学过程。