基于醇醚有机化合物的非水吸收剂的制备与性能分析，用于二氧化碳捕集

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Preparation and Performance Analysis of Non-aqueous Absorbents Based on alcohol ether organic compounds for CO 2 Capture

MEA基有机溶剂体系非水吸收剂制备及性能研究，比较了PGME、EGBE、NHD、DGME等溶剂与传统30% MEA水溶液的CO2吸收效率及再生性能，发现非水体系在350秒内去除效率提升5.16%-14.36%，除NHD外再生效率均优于水体系，并通过FTIR和13C NMR分析揭示了产物相分布特征及分子作用机制。

　　在当前全球能源需求持续增长的背景下，化石燃料依然是主要的能源来源。然而，这些燃料的燃烧过程伴随着大量的碳排放，进而加剧了全球变暖问题，导致全球气温不断上升。为应对这一挑战，国际社会通过《巴黎协定》等协议，提出要尽快实现全球温室气体排放峰值，并在2050至2100年间达成碳中和目标。在此背景下，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被广泛认为是减少温室气体排放、实现碳中和的重要手段。

然而，CCUS技术的实施仍面临诸多困难，其中最大的障碍之一是其高昂的应用成本。尤其是在整个系统中，碳捕集阶段的成本占据了总成本的60%至70%。这使得碳捕集成为CCUS技术中最关键的成本组成部分。因此，如何降低碳捕集的成本，提高其经济可行性，成为研究的重点。目前，碳捕集技术主要包括化学吸收、物理吸收、膜分离、低温冷凝、化学循环燃烧和生物封存等多种方法。其中，化学吸收技术因其较高的成熟度和适用性，被认为是最具前景的一种。

在化学吸收技术中，最常见的吸收剂是N-甲基二乙醇胺（MEA）。然而，MEA在再生过程中需要消耗大量能量，这不仅增加了碳捕集的成本，也限制了其在工业上的广泛应用。因此，开发具有优良再生性能的新型吸收剂，成为实现高效、低成本CO?捕集的关键。近年来，一些研究者尝试通过使用非水溶液作为吸收剂，来改善MEA的性能。例如，DEEA-HMDA混合胺溶液在CO?溶解度和吸收热方面表现出优于传统胺溶液的特性，而NHD（聚乙二醇二甲醚）则在CO?转移系数和循环能力方面展现出较强的竞争力。

尽管非水溶液在降低再生能耗方面具有一定的优势，但其CO?吸收能力仍存在一定的局限性。为解决这一问题，本研究选择使用乙二醇丁基醚（EGBE）、丙二醇单甲醚（PGME）、聚乙二醇二甲醚（NHD）和二乙二醇单乙醚（DGME）作为MEA的有机溶剂，构建了一种新型的非水吸收体系。通过系统地评估不同有机溶剂对MEA吸收性能的影响，包括吸收速率、CO?负载能力、去除效率、再生效率和循环能力等关键指标，本研究旨在为CO?捕集技术提供更具竞争力的吸收体系。

实验结果表明，在前350秒内，非水吸收体系的CO?去除效率均高于传统MEA水溶液。其中，MEA+NHD体系的去除效率最高，达到86.81%，其次是MEA+DGME（85.83%）、MEA+EGBE（77.68%）、MEA+PGME（77.48%）和MEA+H?O（68.76%）。这说明，使用有机溶剂可以显著提升CO?的去除效率。然而，值得注意的是，NHD虽然提高了CO?的负载能力，却降低了再生效率。因此，在选择有机溶剂时，需要在吸收性能与再生性能之间进行权衡。

除了MEA+NHD体系外，其他非水吸收体系在再生效率方面均优于传统MEA水溶液。这表明，这些新型吸收体系在实际应用中具有较大的潜力。特别是MEA+EGBE和MEA+DGME体系，在吸收CO?后，其产物主要存在于下相，而上相则主要由有机溶剂组成。因此，在解吸过程中，只需处理下相，上相可以直接回收，从而降低能源消耗。这一特性为实现高效、低成本的CO?捕集提供了新的思路。

为了更深入地理解吸收体系在吸收和解吸过程中的变化，本研究还利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和13C核磁共振（NMR）技术对吸收前后产物的组成进行了分析。通过这些技术手段，研究者能够从分子层面了解吸收体系在CO?吸收过程中的化学变化，从而为吸收体系的优化提供科学依据。此外，本研究还测试了吸收前后溶液的粘度变化，进一步揭示了溶剂的流动性如何影响吸收过程，为大规模工业应用提供了更加详实的数据支持。

综上所述，本研究通过实验评估，发现使用有机溶剂可以有效提升MEA吸收体系的CO?捕集性能，同时增强其再生能力。这不仅为实现高效、低成本的CO?捕集提供了新的方向，也为未来非水吸收体系的研究奠定了基础。然而，由于本研究是在实验室批次系统中进行的，其结果可能无法完全反映实际工业连续CO?捕集过程中的性能表现。因此，进一步的验证工作，尤其是在更大规模或试点阶段，将是推动该技术实现工业化应用的重要步骤。

本研究还涉及了多种有机溶剂的选取与配制。实验中使用的EGBE、PGME、NHD和DGME均为高纯度产品，由上海阿拉丁生物化学技术有限公司提供。MEA则为高纯度试剂，用于构建吸收体系。所有实验中的MEA溶液均为30%（质量）的溶液，使用上述有机溶剂和水作为溶剂。此外，实验中使用的CO?气体纯度为99.9%，由徐州特种气体厂提供，而空气则通过空气压缩机自行制备。实验过程中，所有吸收体系均在相同的实验条件下进行测试，以确保数据的可比性和准确性。

在实验设计方面，本研究采用了系统化的实验方法，包括吸收实验、解吸实验和吸收-解吸循环实验。这些实验不仅评估了吸收体系在不同阶段的性能表现，还揭示了其在循环使用过程中的稳定性。通过对比不同吸收体系的性能，研究者能够确定最优的溶剂组合，从而为CO?捕集技术的优化提供依据。此外，实验中还对吸收体系的粘度变化进行了测试，进一步分析了溶剂流动性对吸收过程的影响。

本研究的结论表明，使用有机溶剂可以显著提升MEA吸收体系的CO?捕集性能，同时降低再生能耗。这不仅有助于提高CO?捕集的经济性，也为实现碳中和目标提供了技术支持。然而，由于实验是在实验室批次系统中进行的，因此其结果可能无法完全适用于大规模工业应用。因此，未来的研究应关注如何将这些研究成果推广到实际工业场景中，特别是在连续操作和大规模应用方面进行进一步验证。

本研究的作者们在实验过程中各司其职，共同完成了这一项目。其中，Yi Li负责项目管理与形式分析，Qingfang Li也参与了项目管理与形式分析，Kunlei Liu负责项目管理。Yucong Ge负责实验方法设计、实验实施和数据整理，Yi Wang负责论文撰写、修改、可视化和形式分析，Fang Liu负责资源支持、实验实施和形式分析，Li Yang负责实验验证、项目监督和资金获取。所有作者均对研究工作做出了贡献，并在实验过程中密切合作，确保研究结果的准确性和可靠性。

本研究的作者们声明，他们没有任何已知的与本研究相关的竞争性利益或个人关系，这些关系可能会影响本研究的客观性。此外，本研究得到了多项基金的支持，包括国家关键研发计划（2022YFE0130000）、徐州市科技计划项目（KC23077）、中央高校基本科研基金（2023KYJD1005）和江苏省自然科学基金（BK20240208）。这些资金支持为本研究的顺利进行提供了保障，使得研究者能够深入探讨新型非水吸收体系的性能，并为未来的研究提供数据支持。

总体来看，本研究为CO?捕集技术的发展提供了新的思路和方法。通过使用有机溶剂作为吸收剂，不仅提高了吸收效率，还降低了再生能耗，为实现高效、低成本的CO?捕集提供了可能。然而，这一研究仍处于实验室阶段，其实际应用效果还需进一步验证。因此，未来的研究应结合实际工业需求，进一步优化吸收体系的性能，并探索其在更大规模应用中的可行性。此外，研究者还应关注如何提高吸收体系的稳定性，以确保其在长期运行中的可靠性。

本研究的成果表明，非水吸收体系在CO?捕集过程中具有较大的应用潜力。通过系统地评估不同有机溶剂对吸收性能的影响，研究者能够确定最优的溶剂组合，从而为CO?捕集技术的优化提供依据。同时，实验中对吸收前后产物的组成分析，以及对粘度变化的测试，也为理解吸收体系的化学行为和物理特性提供了重要信息。这些信息对于开发更加高效、环保的CO?捕集技术具有重要意义。

随着全球对碳中和目标的重视，CO?捕集技术的应用前景广阔。然而，如何在实际应用中降低成本、提高效率，仍然是研究者面临的重要挑战。本研究通过实验评估，发现使用有机溶剂可以有效提升MEA吸收体系的性能，为实现这一目标提供了新的方向。未来的研究应进一步探索不同有机溶剂对吸收性能的影响，以确定最优的溶剂组合，并结合实际工业需求，推动该技术的商业化应用。

本研究不仅为CO?捕集技术的发展提供了理论支持，也为实际应用提供了实验依据。通过系统地评估不同吸收体系的性能，研究者能够深入理解吸收过程中的化学和物理变化，从而为优化吸收体系提供科学指导。此外，实验中对粘度变化的测试，也揭示了溶剂流动性对吸收过程的影响，为开发更加高效的吸收体系提供了数据支持。

综上所述，本研究通过实验评估，发现使用有机溶剂可以显著提升MEA吸收体系的CO?捕集性能，同时降低再生能耗。这一研究为实现高效、低成本的CO?捕集提供了新的方向，也为未来非水吸收体系的研究奠定了基础。然而，由于实验是在实验室批次系统中进行的，因此其结果可能无法完全适用于实际工业场景。因此，未来的研究应关注如何将这些研究成果推广到实际工业应用中，并探索其在更大规模应用中的可行性。