基于胺的深共晶溶剂在二氧化碳捕集中的吸附特性

《Separation and Purification Technology》：Absorption characteristics of amine-based deep eutectic solvents for CO 2 capture

碳捕集用胺基深共晶溶剂（DES）研究：制备9种TEAC与MEA/DEA/TEA配比1:4-1:6的DES，分析其热稳定性、腐蚀性及CO2吸收性能。结果显示DES3和DES5的CO2吸收能力达0.4066和0.3752 mol/mol absorbent，较对应水溶液胺提升3-6倍，再生能耗仅为30%wt% MEA的21.31%-6.70%。添加10%水可平衡粘度降低与吸收容量受限。光谱和DFT计算证实物理吸附（氢键）与化学吸附（氨基羧化反应）共同作用机制。

　　在当前全球面临严峻环境问题的背景下，如冰川消融、海平面上升、山火频发以及病毒传播等现象，这些挑战与人类活动产生的温室气体排放密切相关。其中，二氧化碳（CO?）作为主要的温室气体之一，其排放量的增加对全球气候系统造成了显著影响。为了应对这一问题，碳捕集、封存与利用（CCUS或CCS）技术被视为关键解决方案。在现有的碳捕集技术中，后燃烧捕集方法因其能够在工业设施中直接应用而被认为是最具前景的选择之一。后燃烧捕集技术中，溶液吸收法已经发展得相对成熟，并在实际应用中取得了良好效果。然而，传统使用的水溶液胺类物质，虽然具有较高的CO?吸收能力，但也存在一些明显的缺点，例如强腐蚀性、高毒性以及在再生过程中需要消耗大量能量。此外，胺类物质在高温下的稳定性较差，导致其在吸收与再生循环过程中容易挥发，从而影响系统的整体性能。

鉴于这些问题，研究人员一直在寻找能够替代水溶液胺类物质的新型吸收剂。近年来，深共熔溶剂（DES）因其低成本、低毒性、良好的热稳定性和可调节的分子结构等优势，被认为是最具潜力的替代品之一。DES是由氢键受体（HBA）与氢键供体（HBD）通过氢键相互作用形成的混合物。然而，大多数已报道的DES在常压下吸收CO?的能力仍无法与水溶液胺类物质相媲美。这限制了其在实际工业中的应用。因此，为了提高DES的CO?吸收性能，研究者开始尝试将胺类物质引入DES中，以结合两者的优势。

本研究旨在开发一种新型的胺基深共熔溶剂（amine-based DES），通过结合胺类物质的化学吸收特性与DES的物理吸收优势，提升其整体性能。为了实现这一目标，研究人员选择了四乙基铵氯化物（TEAC）作为氢键受体，而乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和三乙醇胺（TEA）作为氢键供体。通过调整它们的摩尔比例（从1:4到1:6），研究人员制备了9种不同的DES，并对其物理和化学性质进行了系统分析。这些性质包括液态范围、热稳定性、粘度以及pH值等。研究发现，所有制备的DES都具有较宽的液态范围（200?～?600?K），表明其在不同温度条件下均能保持良好的流动性，有利于实际应用中的操作。

进一步的实验研究显示，其中DES3和DES5的CO?吸收能力分别达到了0.4066?mol CO?/mol吸收剂和0.3752?mol CO?/mol吸收剂，这比相应的水溶液胺类物质的吸收能力高出3?～?6倍。这表明，通过优化HBA与HBD的配比，可以显著提升DES的吸收能力。此外，研究还发现，在实验室条件下，DES1在413.15?K时的脱附热负荷仅为30?wt% MEA在393.15?K时脱附热负荷的21.31%，而DES5的脱附热负荷则为6.70%。这表明，这些DES在脱附过程中所需的能量远低于传统水溶液胺类物质，从而降低了整个碳捕集过程的能耗。

除了吸收与脱附性能，研究还关注了这些DES在多次循环使用后的稳定性。实验结果显示，这些DES在5次吸收与脱附循环后仍能保持其优异的性能，表明其具有良好的循环使用潜力。此外，研究还对富吸收剂（即吸收CO?后的DES）的热稳定性和粘度进行了分析。结果表明，富吸收剂具有良好的热稳定性，且其粘度在吸收后有所变化，但总体上仍处于可控范围内。为了进一步探究水对DES性能的影响，研究还选择了三种DES进行加水实验。结果显示，适量的水可以降低DES的粘度，但也会限制其吸收能力。因此，研究建议在DES中添加10?wt%的水，以在吸收能力和粘度之间取得平衡。

为了揭示这些DES的吸收机制，研究采用了多种分析手段，包括核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术。这些技术用于分析DES的分子结构以及其在吸收CO?过程中的化学变化。通过这些分析，研究发现，吸收过程不仅涉及物理吸附，还包含了化学反应，例如形成氨基甲酸盐（carbamate）等化合物。这些化学反应显著提高了DES的吸收能力，使其在某些条件下能够达到甚至超过传统水溶液胺类物质的吸收水平。

此外，研究还对DES的吸收与脱附过程进行了深入探讨。结果显示，这些DES在吸收CO?后能够维持其良好的性能，并且在脱附过程中表现出较低的能量需求。这使得它们在实际应用中具有更高的经济性和可行性。同时，研究还关注了这些DES的热稳定性，发现它们在高温下仍能保持良好的性能，这表明其在实际工业环境中的适用性更强。

为了进一步验证这些DES的性能，研究还进行了详细的实验测试。这些测试包括对DES的熔点、热稳定性、粘度、pH值等物理性质的分析，以及对CO?吸收过程中的化学变化的观察。通过这些测试，研究确认了这些DES在不同条件下的性能表现，并对其在实际应用中的潜力进行了评估。同时，研究还通过光谱分析和基于密度泛函理论（DFT）的计算量子化学（CQC）方法，揭示了这些DES的吸收机制。这些方法帮助研究人员理解了胺类物质如何通过化学反应增强DES的吸收能力。

研究还特别关注了水对DES性能的影响。实验结果显示，适量的水可以降低DES的粘度，从而提高其流动性，但过量的水会限制其吸收能力。因此，研究建议在DES中添加10?wt%的水，以在吸收能力和粘度之间取得最佳平衡。此外，研究还发现，这些DES在吸收CO?后仍能保持其良好的性能，表明其具有较高的循环使用潜力。这为未来在工业应用中推广这些DES提供了理论支持。

综上所述，本研究通过制备和测试9种新型胺基深共熔溶剂，探索了其在碳捕集过程中的性能表现。研究发现，这些DES在吸收能力、脱附性能、热稳定性和循环使用方面均表现出良好的特性，尤其是在吸收能力方面，部分DES甚至能够达到传统水溶液胺类物质的水平。同时，研究还揭示了这些DES的吸收机制，表明其不仅依赖于物理吸附，还通过化学反应显著提升了吸收能力。此外，研究还探讨了水对DES性能的影响，提出了在DES中添加适量水以优化其性能的建议。这些发现为未来开发高效、环保的碳捕集技术提供了重要的理论基础和实验依据。