油田卤水衍生碳酸盐钙循环CO2捕集的实验研究与技术经济评估

本研究针对大气CO2浓度上升导致的生态问题，通过实验与模型构建，探究了固体胺吸附剂（PEI/HP20）的CO2吸附动力学。提出双区域模型（开放胺区与封闭胺区），揭示了胺负载量和温度对吸附性能的影响机制，为高效固体胺吸附剂的定向设计提供了理论指导。

　　

随着全球CO₂排放量持续增长（2023年达37.4 Gt），燃煤电厂作为主要排放源（占电力部门73%），其减排技术成为研究焦点。胺基吸附剂因其高吸附容量和选择性被广泛关注，但传统固体胺吸附剂存在扩散限制导致的"长尾效应"（吸附后期速率骤降），且缺乏定量描述吸附过程的动力学模型。为此，Shun Wang团队在《Carbon Capture Science》发表研究，通过实验与建模揭示了固体胺吸附剂的CO₂吸附机制。

研究采用聚乙烯亚胺（PEI）负载树脂HP20制备固体胺吸附剂（标记为xR20，x为胺负载量），通过热重分析（TGA）测定不同温度（30-120°C）和胺负载量（0.3-0.55）下的CO₂吸附曲线，结合孔隙体积测量（ASAP2460）和双区域动力学模型，定量分析了开放胺区（扩散无影响）与封闭胺区（扩散控制）的吸附行为。

材料与方法

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  吸附剂制备：PEI（Mw=600）通过甲醇溶液浸渍法负载于HP20树脂，真空干燥后获得不同胺负载量（0.3R20-0.55R20）的吸附剂。

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  吸附测试：采用TGA在15% CO₂/N₂条件下测定吸附/脱附曲线，消除外扩散影响（浅坩埚单层排布）。

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  模型构建：基于Langmuir模型建立双区域动力学方程，通过MATLAB拟合获得开放胺区比例（a）、吸附速率（k）和CO₂扩散系数（D_in）。

结果与讨论

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  温度影响：低于70°C时吸附存在明显长尾效应，90°C以上脱附速率显著提升（20分钟内完全脱附）。吸附容量随温度升高而降低，符合Langmuir模型（ΔU= -45 kJ/mol）。

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  胺负载量：当负载量达0.55（超过理论最大值0.53）时，吸附容量下降40%，因胺堵塞孔隙导致扩散路径延长（封闭胺区占比增加）。

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  扩散机制：开放胺区（r=25 nm）在0.01秒内即达浓度平衡，而封闭胺区（L=2.5 μm）因扩散限制（D_in=10^-12-10^-10 m²/s）在20分钟后仍未饱和。

结论与意义

研究首次通过双区域模型量化了固体胺吸附剂的CO₂吸附动力学差异，指出：

1. 1.

   开放胺区（占比约30%-50%）主导快速吸附阶段，其速率与胺负载量无关；

2. 2.

   封闭胺区是长尾效应的根源，需通过增大载体孔径（减少L）或选用高扩散系数胺类优化；

3. 3.

   胺负载量超过0.5会完全堵塞孔隙，导致吸附性能劣化。该模型为设计快速吸附的固体胺材料提供了明确指导，对推进燃煤电厂碳捕集技术具有重要应用价值。