季铵盐添加剂强化K2 CO3 溶液CO2 捕集效能的机制研究与应用前景

针对碳酸盐溶液在大规模CO2 捕集中吸收效率低的问题，研究人员通过引入TBAC等五种季铵盐添加剂，显著提升K2 CO3 溶液的CO2 捕集性能。实验表明TBAC使吸收速率提升39%，再生能耗降低至1103.9 kJ/mol，并通过FT-IR和13 C NMR揭示其通过笼状水合物结构促进传质的机制，为低碳技术开发提供新思路。

　　

随着21世纪全球工业技术爆发式发展，燃煤电厂等能源密集型产业贡献了超60%的CO₂
排放。尽管化学吸收法（如MEA胺液）因高选择性被广泛应用，但其高再生能耗（1203 kJ/mol）、设备腐蚀等问题制约了规模化应用。相比之下，K₂
CO₃
溶液虽成本低、腐蚀性弱，却受限于液相膜阻力导致的低吸收速率。如何突破这一技术瓶颈，成为实现碳中和目标的关键科学问题。

中国国家自然科学基金支持的研究团队创新性地将季铵盐添加剂引入K₂
CO₃
体系，系统评估了TBAC、TBAB等五种添加剂在30°C、0.1 atm条件下的CO₂
捕集性能。研究发现，0.075 mol/L TBAC的添加使K₂
CO₃
溶液CO₂
吸收速率达3.72×10^-3
mol/min，较纯溶液提升39%，且十次循环后仍保持67%的负载能力。更引人注目的是，该体系的再生热耗仅1103.9 kJ/mol，显著低于传统K₂
CO₃
（1216.7 kJ/mol）和MEA（1203 kJ/mol）溶液。相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为工业烟气处理提供了兼具高效与节能的新方案。

关键技术方法包括：1）采用旋转粘度计测定溶液粘度；2）在恒温反应器中评估不同浓度K₂
CO₃
（0.5-2.0 mol/L）的基础性能；3）通过FT-IR（傅里叶变换红外光谱）和¹³
C NMR（核磁共振碳谱）解析TBAC作用机制；4）设计十次吸附-脱附循环实验验证体系稳定性。

【材料优化】实验首先确定1.5 mol/L为K₂
CO₃
最佳浓度，其初始吸收速率达2.68×10^-3
mol/min。添加TBAC后，溶液粘度从1.72 mPa·s降至1.42 mPa·s，表明物理性质改善。

【性能对比】五类添加剂中，TBAC表现最优，其CO₂
负载量达0.87 mol/mol溶液（含0.95 mol K₂
CO₃
和0.05 mol TBAC），脱附速率在373K时达2.42×10^-3
mol/min。

【机制解析】光谱分析显示TBAC未直接参与CO₂
化学反应，但形成独特的笼状水合物结构，这种结构可能通过降低液膜阻力和提升CO₂
选择性来增强传质效率。

该研究证实季铵盐添加剂通过物理修饰途径显著提升K₂
CO₃
溶液性能，突破了传统化学活化剂（如PZ、SarK）高能耗的局限。TBAC/K₂
CO₃
体系在保持低成本优势的同时，实现了吸收速率与能源效率的协同优化，为大规模碳捕集技术开发提供了全新思路。特别值得注意的是，其1103.9 kJ/mol的再生热耗已低于当前主流胺液技术，这项由中国团队主导的研究，标志着非胺类吸收剂开发取得重要突破。