AMP-PZ混合溶剂中CO2 吸收热力学研究：溶解度、反应机制与模型构建

针对碳捕集技术中AMP-PZ混合溶剂热力学数据缺失的问题，本研究系统测定了CO2 溶解度、N2 O溶解度、吸收热、pH及液相组分分布，揭示了PZ-carbamate主导的低负载区反应机制，建立了支持高压解吸工艺设计的完整数据库，为CESAR1技术能耗评估提供了关键模型参数。

　　

随着全球碳中和目标的推进，碳捕集与封存技术成为应对气候变化的关键手段。在众多碳捕集工艺中，基于胺类溶剂的化学吸收法因其成熟度高、适用性广而占据主导地位。然而，传统单胺溶剂如乙醇胺(MEA)存在再生能耗高、降解严重等问题。近年来，由2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)和哌嗪(PZ)组成的混合溶剂CESAR1展现出显著优势——其吸收容量比MEA高30%，降解率降低50%，且具有独特的两段式反应机制。但该体系在高压高温条件下的热力学数据严重缺失，特别是150°C以上的CO₂
溶解度、不同胺浓度比下的吸收热变化规律以及液相组分分布特征，这些关键参数的空白严重制约了工艺优化与能耗评估。

针对这一瓶颈问题，国内某研究团队在《Carbon Capture Science & Technology》发表了突破性研究成果。研究人员通过反应量热法、高压平衡釜和核磁共振技术，首次构建了40-150°C宽温区的完整热力学数据库，揭示了AMP-PZ体系的反应机制随CO₂
负载量的动态演变规律。

研究采用四大关键技术：1）CPA202反应量热仪同步测定CO₂
溶解度与吸收热，精度达±0.2 kPa；2）定制化高压釜实现150°C/570 kPa极端条件测量；3）N₂
O类比法推算CO₂
亨利常数；4）600 MHz核磁共振仪结合¹³
C定量分析，解析15种离子/分子组分。

【CO₂
溶解度与吸收热规律】
实验发现：在40-80°C范围内，3 M AMP溶液的CO₂
吸收热呈现显著负载依赖性——从低负载的89 kJ/mol骤降至高负载的38 kJ/mol。对于CESAR1混合溶剂（3 M AMP + 1.5 M PZ），吸收热稳定在93 kJ/mol直至负载量达0.5 mol_CO2
/mol_amine
，证实PZ-carbamate在低负载区的主导作用。当温度升至150°C时，CO₂
分压较120°C增加276%，为高压解吸工艺提供了关键数据支撑。

【N₂
O溶解度与传质机制】
通过N₂
O类比法首次测得：在0.52 mol_CO2
/mol_amine
负载下，80°C时N₂
O亨利常数达15,923 kPa·m³
/kmol，比未负载溶液升高69%，证实离子强度增加导致的"盐析效应"。该数据为建立精确的传质-反应耦合模型奠定了基础。

【液相组分动态演变】
¹³
C NMR揭示：当负载量<0.4时，72%的CO₂
以PZ-carbamate形式存在；当负载量>0.6时，碳酸氢根占比升至58%，而AMP-carbamate始终低于1.3%。这一发现颠覆了传统认知——AMP作为空间位阻胺，主要通过碳酸盐路径参与反应。

本研究构建了目前最完整的AMP-PZ体系热力学数据库，首次证实高压解吸（>120°C）可大幅降低CESAR1工艺能耗。通过揭示PZ-carbamate与碳酸盐的竞争机制，为开发新一代混合溶剂提供了分子设计方向。特别值得关注的是，研究团队开发的"组分-性质"关联模型，能精准预测不同胺配比下的吸收性能，这对实现碳捕集工艺的柔性调控具有重大工程价值。这些突破性进展使CESAR1技术向工业化应用迈出了关键一步，据估算可降低再生能耗15-20%，为全球碳减排目标提供了新的技术选择。