综述：高重力环境下多重空气污染物控制以及二氧化碳捕获与利用技术的最新进展：理论与实践

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Recent advances in high-gravity process for multiple air pollutant control and CO2 capture and utilization: theory and practice

工业排放的SOx/NOx、PM2.5及VOCs污染严重，传统湿法洗涤存在占地大、能耗高问题。高重力旋转床（HiGee-RPB）技术通过离心力（达地心引力百倍）实现高效污染物去除，酸气体去除率超99%，PM2.5达90%，同时支持CO2捕集矿物化。其紧凑结构、强化传质及自清洁特性显著优于传统工艺，但长期稳定性与CFD模拟优化仍是挑战。

　　

陈泽伦|袁民豪|陈毅宏|赵毅波|王美虹|蒋佩琪

台湾国立中山大学环境工程研究所，高雄

摘要

工业排放物中含有硫氧化物（SOx/NOx）、细颗粒物（PM_2.5）和挥发性有机化合物（VOCs），对环境和健康构成了严重威胁。传统的控制方法，如湿法洗涤器，往往受到占地面积大和资源消耗高的限制。本文评估了高重力旋转填充床（HiGee-RPB）技术作为空气净化和二氧化碳（CO₂利用的变革性解决方案。该技术产生的离心力比地球重力大1-3个数量级，从而增强了传质效率，使得这一处理平台高度紧凑且用途广泛。案例研究表明，其去除效果显著：H₂S/SO₂的去除效率超过99%，PM_2.5的去除效率达到90%，这归功于改进的液滴过滤机制和独特的流动模式。此外，通过氧化吸收，NOx的去除效率可达80-91%；而针对烹饪烟雾等来源的VOCs处理，在使用专用氧化剂的情况下也有显著提升。本文还探讨了利用胺类化合物进行化学吸收以及碱性废物加速矿物化来减少CO₂排放的方法。尽管在长期稳定性和计算流体动力学（CFD）建模方面仍存在挑战，但HiGee-RPB技术仍被视为实现绿色工艺强化的有效途径。

引言

工业活动造成的空气污染已成为一个关键的环境和公共卫生问题，尤其是在过去几十年快速城市化和工业化背景下。主要排放物如硫氧化物（SO₂）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOCs）对人类健康和环境构成严重威胁。例如，粒径小于或等于2.5微米（PM_2.5）的细颗粒物可携带重金属和有机污染物，导致心血管疾病、肺癌和脑血管疾病[1]。这些污染物会与气溶胶发生反应并降低空气质量，主要来源于固定式工业设施，包括燃煤电厂、化工行业、冶炼厂和石油加工厂，这些设施会排放大量SO₂、NOx、PM和其他有害物质[2]。为减轻这些排放，人们开发了多种气体空气污染控制（APC）技术。其中，烟气脱硫（FGD）技术尤其是湿法洗涤器系统占据了主导地位，其转化效率超过90%[3]。选择性催化还原（SCR）和非选择性催化还原（SNCR）技术对NOx的控制效果良好，去除效率可在50%到90%之间调节[4]。然而，SCR系统需要大量能源输入，并可能面临氨泄漏等问题；SNCR则需要精确的温度控制[4]。化学吸收和氧化方法（包括使用化学氧化剂的湿法洗涤器）在室温下也能有效去除SO₂和NOx[5]。高级氧化技术（如臭氧（O₃）或二氧化氯（ClO₂）气相氧化）可将难溶性气体转化为水溶性高价物种，便于通过湿法吸收过程去除[6][7][8]。在净零排放目标的背景下，APC技术的进步有助于提高能源效率、回收废热、降低成本并增强协同处理能力[9]。

鉴于控制气体污染物与颗粒物的复杂性，高重力（HiGee）技术，特别是所谓的旋转填充床（RPB），作为一种集成装置，已被用于提升传质效率和污染物去除效果。RPB技术由Ramshaw于1981年首次提出，并在1983年由Ramshaw及其同事进一步发展，已在蒸馏、吸收、吸附、萃取和传热等多个领域得到广泛应用[10]。其核心原理是通过离心加速在旋转填充床中产生高重力场，从而实现高效的微混合和更高的传质系数（通常比传统填充床高1-3个数量级）。液体通过分配器注入旋转环并受离心力作用分散，气体从外壳进入并向内流动。高重力技术的优势包括高效的传质和流体承载能力、低液体停留时间、紧凑的体积以及自清洁性能，使其特别适合处理危险、昂贵或易燃材料[11]。超短的停留时间有利于快速反应和过程进行，从而在气液界面产生强烈的湍流并增加接触面积，这对高效去除污染物至关重要[12]。此外，为了评估高重力场的强度，提出了基于从内半径到外半径距离的高重力系数（β）[13]。

理论上，RPB利用离心力生成薄液膜和细小液滴，从而增强液气相互作用和微观混合，显著提高SO₂、NOx、VOCs和PM等污染物的传输效率[14][15][16]。高转速和多样的流动模式（逆流、顺流和交叉流）使RPB能够在不同粒径范围内实现更高的收集效率[17]。与传统湿法洗涤器相比，RPB通常表现出更低的压力降和更高的去除效率，尤其是在处理细颗粒物时[18]。RPB的流体动力学特性在设计和放大过程中带来挑战，需要借助计算流体动力学（CFD）等先进模拟工具来更好地理解流动模式、压力降和停留时间[19]。基于实验数据开发的模型对于理解和优化系统性能至关重要[20]。

此外，为了缓解全球变暖并实现净零排放，人们广泛研究了利用HiGee RPB技术捕获CO₂的方法，重点关注化学吸收和通过加速碳酸化实现矿物化。最新研究表明，中试规模的RPB能够处理高粘度溶液，允许使用高浓度胺类溶剂（例如70%的MEA）。这一能力可以降低溶剂循环率、设备尺寸和再生能耗，降至约1 GJ/tCO₂[21]。在建模领域，Kantouros等人开发了基于第一性原理的稳态模型来模拟吸收和脱附过程[22]，Rabiee等人利用分区模型比较了不同溶剂的性能[23]，Zhang等人验证了多相相互作用的CFD框架[24]。分析操作参数发现，提高旋转速度和液气比可以提升传质效率并减少填充体积，但也会导致压力降增加。再生能耗与再沸器温度存在非线性关系。为了解决高浓度应用中的反应放热问题，Hendry和Lee研究了带有可变面积填充物的内冷式热管转子设计，与传统设计相比，该配置使气体侧的传质系数提高了130%，能够容纳更高的气体流量，并在使用70% MEA时降低了温度上升[21]。关于RPB反应器中的CO₂矿物化，尽管许多研究证实了将其转化为碳酸盐产物用于水泥行业的可行性[14][25]，但在单一反应器中同时混合气液固相仍面临重大挑战[26]。

尽管HiGee RPB技术具有显著优势，但关键挑战在于阐明纳米颗粒、NOx和SO_{22及实现矿物化方面的最新进展，重点探讨其背后的机制和相关案例研究。最后，本文提出了未来研究的方向，以提升HiGee RPB系统的可扩展性。}

部分摘录

RPB结构与流动模式的影响

在高重力场产生的强烈湍流作用下，RPB反应器中的颗粒控制通过复杂的气液流动模式和频繁的颗粒-液滴碰撞实现。图1展示了逆流流动RPB内部各区域中颗粒收集的示意图。RPB的反应器结构通常分为内部区、填充区和空腔区。离心力促进了微小液滴的形成

气体污染物的去除

使用RPB反应器去除气体污染物（主要包括SO₂、H₂S、NOx和VOCs）主要依赖于通过高速旋转产生强烈的离心力，在填充床内建立高重力场。如图3所示，在进入填充床之前，向进气流中注入O₃或ClO₂等氧化气体，将污染物氧化为更高氧化态，从而促进后续的气液反应

基于CFD模拟的定制反应器设计

在高重力场中，剪切力显著影响多相系统中的流动模式，增加了界面面积和表面更新速率，从而提升了传质和混合效率[109]。然而，RPB的复杂结构和流体动力学特性使得通过传统方法获取数据变得困难[18]。这些限制可能阻碍未来的发展，因此需要更先进的方法来获取详细信息。

结论

总之，HiGee-RPB作为一种变革性平台，在环境工程中实现了工艺强化，利用比地球重力高1-3个数量级的离心力克服了传统柱式反应器的传质限制。该技术表现出卓越的通用性和效率，实现了超过99%的酸性气体（H₂S/SO₂）和PM_2.5的去除率，同时促进了低碳转型

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文时，作者使用了Google Gemini 3.0工具来提升可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

陈泽伦：撰写——初稿、项目管理、方法论、研究、概念化。袁民豪：撰写——审阅与编辑、研究。陈毅宏：撰写——审阅与编辑、研究。赵毅波：撰写——审阅与编辑、形式分析。王美虹：撰写——审阅与编辑。蒋佩琪：撰写——审阅与编辑、方法论。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：陈泽伦表示获得了台湾国家科学技术委员会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

陈泽伦感谢台湾国家科学技术委员会（NSTC）在Grant Number 113-2628-E-110 -003 -MY3 和 113-2222-E-110 -003 -MY2 下提供的财政支持。