基于中空纤维膜接触器的真空辅助离子液体CO2解吸性能评价：CFD建模与实验研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Performance Evaluation of Vacuum-Assisted CO 2 Desorption from Ionic Liquids using Hollow-Fiber Membrane Contactors

　　

本研究采用实验与代表性多纤维三维计算流体动力学（CFD）建模相结合的方法，研究了在聚丙烯中空纤维膜接触器（HFMC）中，真空辅助条件下从离子液体（ILs）中进行CO2解吸的过程。研究人员评估了两种咪唑基离子液体——1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐（[emim][Ac]）和1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯盐（[emim][EtSO4]）——作为负载CO2溶剂的性能。通过比较模拟与实验测得的随时间变化的CO2负载曲线和解吸通量，对数学模型进行了验证。随后，利用经过验证的模型分析了不同操作条件（包括再生温度、真空压力和纤维数量）对解吸性能的影响。结果表明，在有利的操作条件下，CO2解吸效率可达90–95%。研究还揭示了溶剂性质的关键作用：[emim][Ac]因其更高的CO2负载能力和化学吸收机制而展现出更优的解吸性能，但其高粘度导致液相压降更大；相比之下，[emim][EtSO4]虽然粘度较低，但因其物理吸收为主的特性而解吸容量有限。敏感性分析表明，提高温度和降低真空压力可显著增强解吸效果，而增加纤维数量则通过增大传质面积进一步提升性能。该研究证实，基于HFMC的真空再生技术是实现CO2负载离子液体高效再生的可行方案，并为未来HFMC基CO2捕获系统的优化提供了重要见解。

一、研究背景与意义

随着能源密集型工业活动的持续增加，人为温室气体排放带来的环境挑战日益严峻，其中二氧化碳（CO₂）被认为是导致气候变化的最重要人为因素之一。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被视为减少CO₂排放的有效途径。传统的后燃烧CO₂捕获通常在填充塔中进行，但这些系统存在液泛、发泡、沟流、夹带、高压降和传热不佳等一系列水力学问题。中空纤维膜接触器（HFMC）作为一种有前景的替代方案，具有单位体积传质面积高（可达传统塔器的30倍）、模块化设计便于放大、气液两相独立控制从而避免操作问题等优点。然而，HFMC的性能不仅取决于吸收步骤，还依赖于负载CO₂溶剂的高效再生。传统的单乙醇胺（MEA）溶剂虽成熟但存在再生能耗高、易降解、腐蚀性强和高挥发性等问题。离子液体（ILs）因其蒸气压极低、热稳定性高和结构可调性成为有潜力的替代溶剂，但其再生策略仍需深入研究。因此，开发高效的HFMC基真空再生技术对于提升CO₂捕获系统的整体循环性能至关重要。

研究人员通过结合实验与代表性多纤维三维CFD建模，系统评估了真空辅助条件下在HFMC中使用两种咪唑基离子液体（[emim][Ac]和[emim][EtSO₄]）进行CO₂解吸的性能。研究成功验证了CFD模型的准确性，并证明在适宜条件下解吸效率可达90–95%，揭示了HFMC真空再生是离子液体再生的有效手段，为工艺优化提供了理论依据。

二、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：

1. 1.
   三维计算流体动力学（CFD）建模：在COMSOL Multiphysics 6.3平台上建立包含235根中空纤维的代表性多纤维几何模型，描述动量、质量和热量平衡。
2. 2.
   实验验证：使用商业聚丙烯（PP）HFMC模块（Liqui-Cel）搭建实验装置，通过监测CO₂浓度变化测定解吸过程中的CO₂负载动态。
3. 3.
   敏感性分析：利用经过验证的模型，系统考察再生温度、真空压力和纤维数量等关键参数对解吸性能的影响。

三、研究结果

3.1 模型验证

研究人员将CFD模拟预测的CO₂负载随时间变化曲线与实验数据进行了对比。结果显示，对于[emim][Ac]和[emim][EtSO₄]两种离子液体，模拟值与实验值均吻合良好，验证了所开发的三维数学模型的准确性和可靠性，确认其能够真实反映再生系统的实际行为。

3.2 [emim][Ac]与[emim][EtSO₄]的解吸性能对比

研究发现，[emim][Ac]表现出更高的CO₂解吸效率和总解吸量，这归因于其更高的初始CO₂负载（0.18 mol CO₂/mol IL）以及化学吸收机制形成的更强CO₂-IL相互作用。然而，[emim][Ac]的高粘度导致了更大的液相侧压降。相反，[emim][EtSO₄]虽粘度较低、水力学条件更佳，但其以物理吸收为主的机制使其CO₂负载和解吸容量均较低（初始负载仅为3.5×10^-3 mol CO₂/mol IL）。研究表明，离子液体的选择需在CO₂容量、粘度、再生能耗和热稳定性等因素间取得平衡。

3.3 操作条件对解吸性能的影响

通过敏感性分析，研究人员考察了再生温度、真空压力和纤维数量的影响：

• •
  再生温度的影响：升高温度显著增强了CO₂解吸速率和最终解吸效率。对于[emim][Ac]，温度升高降低了其高粘度，促进了传质；但过高的温度需考虑溶剂的热稳定性问题。
• •
  真空压力的影响：降低壳侧真空压力（即增大真空度）增大了跨膜分压梯度，从而显著提高了CO₂的驱动力和解吸通量。
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  纤维数量的影响：增加纤维数量（即增大膜接触面积）提供了更多的传质界面，有利于提高总体CO₂解吸量。

四、讨论与结论

研究人员指出，尽管[emim][Ac]在解吸效率上表现优异，但其高粘度和潜在的低温分解风险是实际应用中需要克服的挑战。相比之下，[emim][EtSO₄]虽解吸容量有限，但其低粘度和良好的流动性在某些工况下可能更具优势。研究强调，最优离子液体和操作条件的确定应综合考虑CO₂容量、粘度、再生能量、热稳定性和经济性等多方面因素。

研究结论明确指出，基于HFMC的真空再生技术是实现CO₂负载离子液体高效再生的极具前景的方案。在优化的操作条件下，系统可获得高达90–95%的CO₂解吸效率。该研究提供的实验数据和经过验证的三维CFD模型为深入理解HFMC中的耦合传质现象提供了有力工具，并为未来工业级HFMC基CO₂捕获系统的设计与优化提供了重要的理论基础和指导方向。