基于CFD模拟的[bmim][TCM]离子液体与MDEA胺溶液在膜接触器内捕集CO2的效率对比研究

本研究针对温室气体CO2排放问题，通过CFD技术对比新型[bmim][TCM]离子液体与MDEA胺溶液在中空纤维膜接触器（HFMC）中的CO2捕集效率。研究采用映射网格技术提升计算精度，验证结果显示模拟与实验数据平均相对偏差仅5%。结果表明，两种吸收剂均能高效捕集CO2，MDEA略优，且模块长度、孔隙率等参数显著影响捕集性能，为工业碳捕集技术优化提供了重要参考。

　　

温室气体排放，尤其是二氧化碳（CO₂），已成为全球生态系统、人类健康和经济发展的重大威胁。近年来，全球变暖的有害影响日益显著，气候变化、酸雨等环境问题亟需解决。因此，开发高效、经济的新型CO₂分离与捕集技术迫在眉睫。在众多技术中，中空纤维膜接触器（HFMC）因其高比表面积、优异的传质性能以及易于与现有工业流程集成而脱颖而出。然而，尽管HFMC具有诸多优势，其应用仍面临一些挑战，如微孔润湿和污染问题，这降低了工业界对该技术的接受度。

吸收剂的选择对CO₂捕集效率至关重要。化学吸收剂，如胺溶液，通过与CO₂发生可逆反应来实现捕集。多年来，甲基二乙醇胺（MDEA）等胺类吸收剂已被广泛用于酸性气体脱硫和CO₂捕集。尽管胺溶液具有低蒸汽压、再生能耗低、成本低廉和抗降解性强等优点，但其热稳定性差、环境毒性、高腐蚀性、高挥发性和氧化性等问题促使科学家寻找更理想的替代品。胺溶液的高腐蚀性可能导致设备损坏，需采用昂贵材料进行防护；其挥发可能造成环境污染和健康风险（如形成致癌亚硝胺）；CO₂吸收过程中释放的大量热量增加了再生能耗；胺类易氧化导致溶剂降解；常见胺溶液（如MEA）在高温下（通常>120°C）热稳定性差，再生过程中面临多种挑战。

离子液体（ILs）作为一种新兴的液体吸收剂，近年来受到广泛关注。它们具有高热稳定性（高分解温度）、环境友好性、化学稳定性好、可回收利用和再生能耗低等显著优点，使其成为CO₂捕集的 promising candidate。特别是1-丁基-3-甲基咪唑三氰甲烷盐（[bmim][TCM]）IL，其低粘度、良好的热稳定性、高CO₂分离能力和优异选择性，使其在膜接触器中表现出巨大应用潜力。

本研究旨在通过计算流体动力学（CFD）技术，数值模拟比较新型[bmim][TCM] IL与MDEA胺溶液在HFMC中捕集CO₂的效率。研究采用COMSOL Multiphysics软件（版本6）进行模拟，并利用映射网格技术（MMT）对模块几何进行细分，以提高计算精度和减少结果偏差。模型验证通过与实验数据对比完成，平均相对偏差（ARD）约为5%，证实了模型可靠性。此外，研究还考察了气体混合物速度、模块长度和孔隙率等参数对CO₂捕集率的影响。

为开展研究，作者主要应用了以下关键技术方法：基于有限元法（FE）的CFD模拟，求解HFMC内各区域（管程、膜程、壳程）的质量和动量传递偏微分方程；采用映射网格技术（MMT）进行几何离散化，提升计算精度；利用Happel自由表面模型（HFSM）估算中空纤维周围假设半径；设定非润湿操作模式，假设微孔仅充满气体；通过COMSOL软件处理刚性和非刚性边界问题，模拟时间约90秒。实验参数参考了已有研究数据，包括膜模块尺寸、物理化学性质（如扩散系数、粘度、密度）和操作条件（温度、压力、流速）。

研究结果部分通过多个图表展示了关键发现。浓度梯度和CO₂去除百分比方面，图9和图10显示了壳程和壳-膜界面处的CO₂无量纲浓度分布。CO₂/He混合物从壳程顶部流入，向下流动，而吸收剂（[bmim][TCM] IL或MDEA胺溶液）从管程底部向上逆流流动。这种逆流运动促进了CO₂分子从壳程向膜孔的扩散，并最终被管程中的吸收液捕获。在壳-膜界面处，CO₂的化学吸收导致其浓度沿模块长度逐渐降低。结果表明，两种吸收剂均能高效捕集CO₂，去除率近100%，但MDEA略优于[bmim][TCM] IL。

模块基础和操作参数影响方面，图11、图12和图13及表4分析了气体速度、模块长度和孔隙率的影响。气体速度增加（从0.01 m/s至0.2 m/s）会缩短停留时间，降低传质效率，使CO₂捕集率从100%降至84.5%（[bmim][TCM] IL）和87%（MDEA）。模块长度增加（从0.01 m至0.35 m）提供了更长的气液接触时间，捕集率从89%升至100%（[bmim][TCM] IL）和95.2%升至100%（MDEA）。孔隙率提高（从0.025至0.65）增强了膜扩散性，捕集率从68%升至100%（[bmim][TCM] IL）和98.8%升至100%（MDEA）。

孔隙润湿性对CO₂去除百分比的影响通过图14和图15展示。润湿程度分为非润湿（0%）、部分润湿（50%）和完全润湿（100%）模式。增加润湿性会提高传质阻力，降低捕集效率。非润湿模式的捕集效率比完全润湿模式高3-4倍，与先前研究一致。

研究结论表明，CFD模拟有效评估了[bmim][TCM] IL和MDEA胺溶液在HFMC中的CO₂吸收效率。两种吸收剂均表现出卓越性能，能近乎完全去除入口CO₂，适用于工业碳捕集。MDEA在多数参数范围内略占优势，但[bmim][TCM] IL因其环境友好和低能耗特性，仍是 promising alternative。模块长度和孔隙率的增加有益于捕集，而气体速度增加有负面影响。孔隙润湿性显著降低效率，强调需维持非润湿操作。本研究为HFMC优化设计提供了理论依据，有助于推动碳捕集技术 towards a circular carbon economy。论文发表于《Journal of CO2 Utilization》，由Hashem O. Alsaab和Mahboubeh Pishnamazi完成，单位来自沙特阿拉伯泰夫大学（Taif University）。