二氧化碳在 2-(乙氨基)乙醇与磷酸三钠水溶液混合物中溶解度的新实验数据

《Sustainable Chemistry One World》：New experimental data on carbon dioxide solubility into aqueous 2-(ethylamino)ethanol and tri-sodium phosphate blend

　　

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  测量了CO₂在2-(乙氨基)乙醇(EAE)和磷酸三钠(TSP)水溶液混合体系中的平衡溶解度。
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  建立了经验模型。
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  利用吉布斯-亥姆霍兹方程计算了EAE+TSP+H₂O体系的CO₂吸收焓。
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  与MEA相比，EAE+TSP水溶液混合体系表现出优异的平衡CO₂溶解度和较低的CO₂吸收焓。

引言

二氧化碳(CO₂)是一种关键的温室气体，在捕获地球大气中的热量方面起着至关重要的作用。其主要来源于人类活动，如燃烧煤、石油和天然气等化石燃料，同时也来源于火山喷发和野火等自然事件。这种气体对于维持地球温度至关重要，但其过度积累会导致全球变暖和气候变化，从而成为全球关注的焦点[1]、[2]。根据国际能源署(IEA)的2025年CO₂排放报告，2024年与能源相关的CO₂总排放量增加了0.8%，导致大气中CO₂浓度比2023年高出近3 ppm，2024年达到422.5 ppm[3]。

碳捕集主要有三种方法：燃烧后CO₂捕集、燃烧前CO₂捕集和富氧燃烧技术。燃烧后CO₂捕集是最成熟且最具经济性的技术。有多种分离技术，如吸收、吸附、膜分离和低温分离等，可用于从含CO₂的气体混合物中分离CO₂。在燃烧后CO₂分离技术中，化学吸收是最成熟且最常用的CO₂捕集方法，这主要归功于其对气体流性质（如温度、压力、CO₂浓度和流速）的适应性[4]。由于能与二氧化碳发生化学反应，胺、盐溶液和氨等溶剂被称为"化学溶剂"。这些反应通过两个原因提高了CO₂吸收速率：首先，CO₂与溶剂之间的化学反应降低了平衡分压；其次，增加了传质推动力和界面处的CO₂浓度梯度[5]。化学溶剂的优点包括对酸性气体分压不敏感、能够捕集低至ppm级别的气体以及具有较高的传质系数。然而，其缺点包括再生能耗高、选择性差、材料成本高、吸收热高、腐蚀性、副反应、环境损害以及使用水溶液时处理气体中的水饱和问题[6]。已开发多种胺用于CO₂脱除。伯胺，如一乙醇胺(MEA)或二醇胺(DGA)，以其快速吸收速率著称。仲胺，如二乙醇胺(DEA)和二异丙醇胺(DIPA)，由于吸收速率较慢，应用受到限制，但常利用其有利的热力学特性来促进K₂CO₃基溶剂的吸收速率。Chen等人(2020)研究了CO₂吸收到3-二乙氨基丙胺(DEAPA)水溶液中的传质性能[7]，报道DEAPA的CO₂吸收容量远大于单胺。其他研究人员也确定了多种具有良好吸收性能的胺类混合液。哌嗪(PZ)作为甲氧基二乙醇胺(MDEA)和K₂CO₃中CO₂吸收速率的有效促进剂[8]、[9]。为研究混合MEA-DEA溶剂与CO₂的反应机理，Liu等人(2018)利用¹³C NMR研究了MEA-DEA-CO₂-H₂O体系中CO₂负载量从0到0.7 mol CO₂/mol胺的离子形态[10]。他们发现DEA在低CO₂负载量下起协同作用，而在高CO₂负载量下起竞争作用。Sharif等人(2020)利用分子动力学模拟研究了纯胺和混合胺体系2DMAE-PZ的相互作用[11]。他们发现混合胺体系表现出更强的相互作用和对CO₂更高的反应活性，导致更快的吸收速率。文献综述表明，没有任何单一溶剂具备所有理想性能（例如高CO₂溶解度、快速反应动力学、低腐蚀性、快解吸速率、低再生成本、低粘度等）适用于吸收-解吸过程中的CO₂捕集。CO₂负载溶液解吸所需的能量是溶剂选择的一个重要且具有挑战性的问题。根据材料组成和结构特性，有多种催化剂可用于胺基CO₂再生[12]。Zhang等人(2026)研究了将多种金属氧化物可控地引入海泡石表面以减少再生热量并提高5 mol/L MEA负载CO₂的解吸速率[13]。为优化单独胺的性能，已研究多种混合液用于CO₂捕集[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。1-氨基-2-丙醇/苏尔福兰双相溶液[27]、DETA/苏尔福兰[28]以及三乙基四胺(TETA)/四甲基乙二胺(TMEDA)[29]也被用于CO₂捕集。

2-(乙氨基)乙醇(EAE)是一种受阻仲胺，由于其碳酸盐盐不稳定，具有高CO₂负载量和低吸收热，且可由可再生农业废弃物制备[30]、[31]、[32]。磷酸三钠(TSP)是一种强碱性、腐蚀性较低、浓度极低、非挥发性无机溶剂，热降解可忽略不计，适用于酸性气体处理[33]。由于TSP的这些特性，EAE+TSP水溶液混合体系可能是CO₂捕集的可行吸收剂。胺的腐蚀性会影响吸收-解吸过程中设备使用的长期稳定性。因此，混合液的腐蚀行为将是实际大规模应用的关键因素。由于混合液中含有TSP，引入Na⁺和PO₄^3-等离子物种理论上可能影响电化学环境并加速腐蚀或降解途径。然而，值得注意的是，在许多工业应用中，磷酸盐因其能够与金属离子反应并在金属表面沉淀出保护性钝化膜的能力，被广泛用作阳极腐蚀抑制剂。离子导电性驱动的降解与磷酸盐诱导的钝化之间的平衡在很大程度上取决于操作温度、pH值和基材材料[34]、[35]、[36]。

基于EAE+TSP混合体系的基本特性以及类似溶液体系的现有文献，可以预测含TSP等无机盐的水溶液与EAE等空间位阻/仲胺的混合液通常表现出比基准MEA更高的动态粘度，尤其是在较高溶质负载下。在实际吸收塔中，较高的粘度可能导致液膜增厚，液侧传质阻力略有增加。尽管存在粘度劣势，EAE+TSP混合体系将受益于强大的协同动力学效应。EAE提供与CO₂的快速反应动力学，而TSP的离子特性不仅增强了CO₂吸收，还提供了抗降解能力[33]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。在本研究中，研究了EAE和TSP的水溶液混合体系在常压下从模拟气体流中吸收CO₂的性能。测量了EAE+TSP水溶液混合体系的CO₂溶解度，混合液总浓度(C_T)范围为1.0 mol/L至2.5 mol/L，TSP摩尔分数为0.05至0.25，温度范围为303.15 K至323.15 K，CO₂分压从8.1 kPa至25.33 kPa。还建立了经验模型来预测EAE和TSP水溶液混合体系的CO₂负载量。利用吉布斯-亥姆霍兹方程计算了CO₂吸收热。

章节摘要

材料

MEA（Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd，新孟买）被用作参考胺，用于验证实验装置并比较结果。所有化学品均以原始状态使用，详细说明见表1。分析纯磷酸三钠(TSP)（Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd，马哈拉施特拉邦），纯度不低于98%，未经任何纯化直接用于实验。98%纯度的2-(乙氨基)乙醇(EAE)购自Thermo

结果与讨论

MEA已被广泛研究，并被认为是CO₂捕集的基准溶剂，因其具有高吸收容量和与CO₂的快速反应动力学[43]、[44]、[45]。MEA被用作基准溶剂来验证实验装置。为验证实验室规模的实验装置，在313.15 K下测量了5 mol/L MEA的CO₂负载量，并针对不同CO₂分压(p_CO2)与类似操作条件下的现有文献进行了比较[46]、[47]，如表2所示。绝对偏差较低

结论

本研究评估了EAE和TSP水溶液混合体系在常压燃烧后CO₂捕集中的性能。在不同组成和操作条件下评估了混合体系的平衡CO₂溶解度。最大CO₂溶解度为1.068 mol CO₂/mol混合液，在303.15 K、CO₂分压25.33 kPa、总浓度1.0 mol/L、TSP摩尔分数0.25的EAE+TSP水溶液混合体系中达到。建立了平衡CO₂负载量的经验模型

资金

本研究未获得任何资金支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响到本论文所报告的工作。

致谢

作者感谢B.I.T. Sindri、Dhanbad、Jharkhand以及Jharkhand邦高等与技术教育部提供的鼓励和支持。

利益冲突

作者声明他们没有任何已知的利益冲突。

Sonam|Amar Kumar|Diwakar Pandey