低成本负载型离子液体[TETA][HCOO]/X-5在烟气CO2捕集中的高效吸附与再生性能研究

针对传统胺基吸收剂高能耗、易腐蚀等问题，中科院团队开发了低成本质子型胺基离子液体（PABILs）负载吸附剂[TETA][HCOO]/X-5。该材料在30°C、1 bar条件下CO2吸附量达2.02 mmol/g，湿度（65% RH）可提升性能至2.32 mmol/g。研究发现N2吹扫（100-120°C）和真空热再生（VTR）可实现高效再生，为工业烟气碳捕集提供了经济高效的解决方案。

　　

随着全球气候变化加剧，燃煤电厂等工业源排放的CO₂成为温室效应的主要推手。虽然胺基吸收剂如单乙醇胺（MEA）是目前主流的碳捕集技术，但其高再生能耗（占电厂输出30%）、设备腐蚀和胺挥发等问题严重制约大规模应用。物理吸附材料如活性炭、沸石等虽能耗较低，却面临湿度敏感性差、选择性不足的瓶颈。近年来，兼具液体高选择性和固体易操作特性的负载型离子液体（Supported Ionic Liquids, SILs）崭露头角，但传统离子液体合成成本高、粘度大导致CO₂扩散受限。

针对这些挑战，中国科学院团队设计开发了基于三乙烯四胺甲酸盐（[TETA][HCOO]）的低成本质子型胺基离子液体（PABIL），并创新性地将其负载于X-5树脂上。这项发表于《Fuel》的研究通过系统优化，使吸附剂在保持高选择性的同时，将合成成本控制在4.96美元/公斤，仅为商业离子液体价格的1/10。研究团队采用浸渍法制备系列SILs，结合固定床吸附实验、热重分析（TGA）、傅里叶红外光谱（FTIR）和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了材料结构与性能的关系。

关键技术包括：1）酸-碱中和法合成六种PABILs；2）固定床反应器测试15% CO₂/N₂混合气吸附性能；3）傅里叶变换红外气体分析仪在线监测；4）氮气吹扫、空气吹扫和真空热再生（VTR）三种再生方式对比；5）SEM、BET等表征手段分析材料形貌与孔隙结构。

【吸附剂筛选】通过对比12种SILs发现，[TETA][HCOO]/X-5在63%负载率时性能最优。DFT计算表明-N₁H₂位点与CO₂结合能达-60.48 kJ/mol，是化学吸附的主要活性位点，而羧酸氧原子（-18.52 kJ/mol）参与物理吸附。

【温湿度影响】30°C时吸附量达峰值2.02 mmol/g，45°C时吸附速率最快。适度湿度（65% RH）使吸附量提升15%至2.32 mmol/g，FTIR证实水分子促进HCO₃^-生成，但过高湿度会竞争吸附位点。

【抗干扰性能】在含SO₂（550 ppm）烟气中，吸附量仅下降7.4%。FTIR检测到614 cm^-1处磺酰胺特征峰，揭示SO₂与胺基反应是性能衰减的主因。

【再生策略】N₂吹扫在100-120°C实现>95%再生率，5次循环后容量保持率95.8%。VTR在80°C即可获得相近效果，且能直接获得高纯度CO₂。而空气吹扫因O₂氧化胺基（IR检出1610 cm^-1 C=N峰），导致容量骤降36.8%。

这项研究开创性地将低成本PABILs与多孔树脂结合，其吸附性能超越多数文献报道的SILs系统（如[Bmim][Ac]/SBA-15的2.11 mmol/g）。通过再生温度精准调控（避开140°C热分解阈值），解决了离子液体粘度与脱附能耗的平衡难题。特别是VTR技术的应用，相比传统胺法工艺降低再生能耗40%以上，为开发"碳中和"烟气处理装置提供了新材料范式。未来研究可聚焦于：1）开发抗SO₂毒化功能化离子液体；2）优化载体孔隙结构以减少IL渗漏；3）开展中试规模验证长期稳定性。这些突破将加速SILs技术在燃煤电厂、水泥窑等工业场景的落地应用。