基于DETA的双相溶剂用于天然气和燃煤烟气CO?捕集的再生与技术经济评估

《Separation and Purification Technology》：Regeneration and techno-economic assessment of a DETA-based biphasic solvent used for CO 2 capture from natural-gas and coal flue-gas streams

　　

引言

由于其成熟度高、实施简便、动力学速度快以及高CO₂容量，后燃烧胺基方法已成为工业点源碳捕集的主流技术 [1]、[2]、[3]。特别是，广泛使用的一乙醇胺（MEA）工艺通常被视为商业化碳捕集的基准 [4]、[5]。尽管具有这些优势，通过MEA工艺进行公用工程规模的碳捕集仍然需要大量资本和运营投资，这将大大增加终端用户的电力成本 [6]。这在很大程度上与溶剂再生的能耗需求有关，仅溶剂再生这一项就分别占煤系统和天然气系统中MEA工艺运营成本的54%和42% [7]。因此，双相溶剂（又称去混溶剂或相变溶剂）由于其再生能耗需求显著降低，已成为传统MEA基配方的首选替代方案之一 [8]、[9]、[10]、[11]。尽管这些进展大大提高了碳捕集的可行性，但双相配方中通常使用的一级/二级多胺仍然需要相当大的能量输入来分解CO₂吸收产物（即氨基甲酸酯和质子化胺）[12]。更具体地说，胺去质子化相对较高的能量需求尤为令人担忧，因为去质子化是脱附的速率限制步骤（即去质子化释放的自由质子用于氨基甲酸酯分解）[13]。因此，许多近期的研究致力于寻找进一步降低双相溶剂再生能耗的方法。

具体来说，在胺基CO₂溶剂的再生中使用固体材料（即双相和单相溶剂）近年来已成为一个研究热点 [14]、[15]、[16]、[17]。在这些研究中，普遍认为这些材料通过催化机制运行，即材料表面的活性位点协助吸收产物的分解。对于主要以布仑斯台德酸位点为特征的催化剂，人们假设了一个包含两个主要步骤的反应路径。该过程涉及质子化以加速氨基甲酸酯分解，然后通过从质子化胺基团中抽象质子来实现活性位点的再生 [18]、[19]。相反，路易斯酸催化剂被认为通过以下两条路径之一运行。第一条路径认为路易斯酸位点仅作用于质子化胺以促进去质子化，产生的自由质子随后在氨基甲酸酯分解中被消耗 [20]、[21]。或者，也有人认为路易斯酸位点将通过更复杂的反应系列协助分解所有吸收产物 [22]、[23]。概括地说，这涉及氨基甲酸酯在路易斯酸位点的吸附以释放CO₂，同时留下吸附的胺，该胺随后通过同一表面位点的单独反应去质子化另一个胺。

尽管如此，虽然非均相胺再生的优势已得到充分证明，但支撑这些优势的实际机制仍然晦涩不明，因为支持机制主张的证据往往既有限又不完整。此外，非均相再生材料的材料特性对再生的影响尚未被独立量化。例如，再生材料的表面积传统上被认为在酸位点可及性的背景下很重要（即大表面积增加了酸位点的数量和可用性）[24]、[25]。再生材料的表面积是否能通过非催化现象直接影响再生仍有待确定。此外，尽管天然气在工业应用和发电中具有重要地位，但使用双相溶剂从天然气烟气（NGFG）中捕集CO₂的研究相比在燃煤烟气（CFG）中使用双相溶剂捕集CO₂的关注度要低得多。特别是，溶剂在CFG中的性能在多大程度上能作为在NGFG中性能的指标仍然不清楚。我们之前的研究表明，双相溶剂在模拟NGFG中的行为可能与在CFG模拟物中的行为存在显著偏差 [26]。然而，这些差异在多种再生条件下的范围尚未得到充分记录。

因此，本研究的主要目的是调查（i）双相溶剂在NGFG中的行为与在CFG中的行为差异程度，以及（ii）非均相溶剂再生过程中表面积的非催化影响潜力。特别是，我们分析了含水双相溶剂在CFG和NGFG条件下的非均相再生特性。本研究中测试的双相配方含有二亚乙基三胺（DETA）、二甲基氨基乙醇（DMAE）和三乙二醇二甲醚（TEG-DME）的混合物。共进行了三组非均相再生实验。为评估布仑斯台德酸性和路易斯酸性对再生能耗的实际影响，首先使用Amberlyst-15或二氧化钛对双相溶剂进行再生。然后通过使用低表面积石英粉和高表面积硅胶进行再生实验来评估表面积对能耗的影响。最后，还使用阳极氧化生成高表面积二氧化钛膜的钛箔对DETA双相溶剂进行再生。因此，本研究获得的结果有望提供有用的见解，以协助进一步开发具有大幅降低运营成本的双相CO₂捕集系统。本研究还通过技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）对双相DETA配方进行了潜在成本节约的评估。

章节摘要

材料

本研究中使用的材料均购自商业制造商，除非另有说明，否则未经过额外提纯或修改。为了制备胺基溶剂溶液，从Sigma Aldrich、Thermo Fisher、BTC和Alfa Aesar分别获得了MEA（ACS试剂级，≥99%）、DETA（≥99%）、DMAE（99%）和TEG-DME（99%）。本研究中调查的所有溶剂配方均为水基的（即溶液体积的剩余部分始终为去离子水

非均相材料的溶剂再生

DETA在有和无非均相/均相材料条件下的再生结果总结在图6中。本研究中实验的更多细节见支持信息（表S1）。在我们之前的工作中，NGFG和CFG负载DETA的富液单独再生实验表明，CFG富液可以高效地单独再生（即每摩尔回收CO₂的能耗比MEA低35.7±1.1%），而

结论

本研究探讨了各种非均相再生材料对双相DETA:DMAE溶剂混合物再生能耗的影响，在模拟天然气烟气（NGFG）和燃煤烟气（CFG）条件下均进行了研究。研究重点放在NGFG分析上，以便与之前专注于CFG应用中双相溶剂的研究进行比较。对于在模拟CFG中负载的样品，所有测试的再生材料（如二氧化钛、硅胶、Amberlyst-15）对溶剂再生的影响类似

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能被视为影响了本文报告的工作。

本文手稿由UT-Battelle, LLC根据与美国能源部（DOE）的合同DE-AC05-00OR22725撰写。美国政府保留出版许可，出版商在接受发表时也认可美国政府保留一个非独占性、已付清、不可撤销的全球性许可证来发布或

致谢

本研究由橡树岭国家实验室（ORNL）实验室定向研发计划支持，该实验室由UT-Battelle, LLC管理，根据与美国能源部（DOE）的合同DE-AC05-00OR22725执行。本研究是橡树岭国家实验室纳米材料科学中心（CNMS）用户项目的一部分，该中心是美国能源部科学办公室用户设施。

版权通知：本文手稿由UT Battelle, LLC撰写，

Alexander I. Wiechert|Pimphan Aye Meyer|Diāna Stamberga|Michael J. Cordon|Gyoung Gug Jang|Patricia Taboada-Serrano|Radu Custelcean|Costas Tsouris