利用磁场辅助的浓度波动吸附技术进行二氧化碳捕获，该技术在Fe3O4/纤维纳米二氧化硅-PEI吸附剂上实现

《AIChE Journal?AIChE》：Magnetic field-assisted concentration swing adsorption for CO2 capture over Fe3O4/fibrous nanosilica-PEI adsorbent

　　**摘要**

磁场辅助浓度摆动吸附（CSA）提供了一种与常规温度摆动吸附（TSA）兼容的替代方法，它通过在近乎等温条件下实现快速加热/冷却和节能的再生，从而消除了对显热输入的需求。在本文中，将Fe3O4纳米颗粒与纤维状纳米二氧化硅（FNS）和聚乙烯亚胺（PEI）结合，构建了一种用于CO2近等温CSA的磁性吸附剂。得益于FNS的放射状纤维孔结构，Fe3O4/FNS-PEI70在80°C时表现出快速的吸附动力学（<2分钟）和高CO2吸附容量（4.2 mmol/g）。磁感应促进了吸附剂的高效再生，并在同一温度下实现了92.6%的CO2脱附速率。湿度显著增强了CO2的捕获能力（在相对湿度为80%时达到10.6 mmol/g），而没有影响CSA过程；而SO2则导致了不可逆的失活，NO的吸附量可以忽略不计。在研究的浓度摆动条件下，磁场辅助CSA过程的理论再生能量为2.0 MJ/kgCO2，这显著低于TSA的能量消耗，凸显了其作为节能且可扩展的电气化CO2捕获途径的潜力。

**1 引言**

迄今为止，大气中的CO2浓度已从工业革命前的约280 ppm上升至约425 ppm，增加了1.5倍，引发了全球对于减排的关注。点源CO2捕获技术可以应用于现有设施，有效减少来自发电厂和工业源的集中排放，近年来受到了广泛关注。在这种背景下，气候变化和能源转型的双重压力要求开发高效、低能耗和可持续的CO2捕获技术。传统的温度摆动吸附（TSA）在再生过程中存在显著限制，包括加热和冷却速度慢、能耗高以及温度波动大，这些因素阻碍了CO2在工业中的大规模应用。随着工业电气化的加速趋势，利用电磁能进行高效吸附剂再生成为新的研究重点。磁感应摆动吸附（MISA）利用磁性纳米颗粒在交变磁场下快速产生热量，有效地将电磁能转化为热能，实现了原位、均匀且可控的加热。这种方法显著减少了吸附过程的循环时间和能耗。Hill等人使用Fe3O4@Mg-MOF-74在交变磁场下展示了CO2的局部脱附，并在其后续工作中报告称，MISA的能耗为1.29 MJ/kgCO2，比TSA操作低45%。我们之前的工作进一步证明，MISA是一种适用于生物气体提纯和轻烷烃/烯烃分离的有效分离技术，同时表现出更快的冷却速率。为了避免TSA过程中通常出现的大温差，浓度摆动吸附（CSA）提供了一种替代方法，其中脱附仅通过进料组成的切换在近乎等温条件下驱动。这种近乎等温的吸附-脱附过程能够在整个循环中保持稳定的温度，从而避免频繁的温度波动对吸附剂结构和寿命的影响，同时缩短循环时间并减少能耗。此外，这种操作模式便于与其他单元过程集成，特别是在工业规模和电气化CO2捕获方面具有显著的经济和实际优势。在这方面，将磁感应与CSA结合有望提高再生效率，并在适当条件下实现吸附剂的近乎完全再生。在实现磁场辅助CSA过程中，选择支撑材料至关重要。纤维状纳米二氧化硅（FNS）是一类独特的二氧化硅材料，其特点是具有从核心辐射出的纤维状结构，从而产生大的孔体积，能够容纳胺类聚合物并促进CO2的扩散。Polshettiwar等人证明了具有纤维孔结构的KCC-1-TEPA比具有常规一维通道的MCM-41-TEPA具有更高的CO2捕获能力和吸附速率。Song等人和Kulkarni等人分别展示了用PEI和TEPA功能化的FNS在80°C（15% CO2/N2）和30°C（400 ppm CO2/He）条件下实现了高达4.8 mmol/g和3.3 mmol/g的CO2吸附容量。这些发现突显了FNS的潜力，其可调的孔结构使其成为高效CO2捕获的理想支撑材料。在实际的燃烧后烟气中，腐蚀性杂质和蒸汽对基于胺的吸附剂的性能和稳定性有显著影响。Jones等人证明，即使在低浓度的SO2和NOx存在下，吸附容量也会大幅下降。此外，SO2和NOx的引入会显著降低沸石13X整体的吸附速率。相比之下，水和CO2的共吸附可以增强整体吸附能力，尽管它可能会同时改变吸附动力学。因此，在设计和评估磁场辅助CSA过程时，评估腐蚀性杂质和蒸汽对吸附剂的影响是至关重要的。在这项工作中，将Fe3O4纳米颗粒与FNS和PEI结合，构建了一种磁性响应的胺改性吸附剂，并验证了磁场辅助近等温CSA过程的可行性，阐明了SO2、NO和H2O在实际进料条件下的作用。得益于FNS的放射状纤维结构，实现了高PEI负载和快速的CO2扩散，Fe3O4/FNS-PEI70在80°C时表现出快速的动力学（不到2分钟达到平衡）和高CO2吸附容量（4.2 mmol/g）。在磁场辅助下，接近等温的脱附在80°C时实现了92.6%的CO2脱附率。在干燥条件下，加热/冷却速率分别比TSA高193%和408%；在潮湿条件下，这一比率分别为104%和255%。在潮湿条件下（相对湿度为80%），Fe3O4/FNS-PEI70在80°C时的CO2吸附量为10.6 mmol/g。Fe3O4/FNS-PEI70的大幅度可逆H2O吸附表明湿度对磁场辅助CSA过程没有显著影响。在多组分气体吸附过程中，SO2与PEI发生不可逆相互作用，导致5次循环后CO2吸附容量损失了40%，而NO的吸附量可以忽略不计。FNS-PEI70在50次循环后仍保持4.6 mmol/g的CO2吸附容量，表明其具有良好的耐久性。此外，通过避免显热消耗，近等温磁场辅助CSA实现了低的理论脱附能量（2.0 MJ/kgCO2）和实际耗散能量（4.19 kJ），明显低于TSA（16.9 kJ），凸显了其卓越的能源效率。总体而言，这项工作建立了一种可扩展的、与电气化兼容且节能的CO2捕获途径，并为工业点源捕获和直接空气捕获中的吸附剂和过程设计提供了具体的指导。

**2 实验和方法**

**2.1 化学品**

四乙基正硅酸盐（TEOS）、椰油基三甲基铵溴化物（CTAB）、氨水（NH3·H2O，25–28 wt%）、丁醛、聚乙烯亚胺（PEI，支链，Mn=600）和氧化铁（II, III）（<5 μm）均从Sigma Aldrich购买。甲醇和乙醇购自VWR Corporation，所有超纯（UHP）气体由Airgas提供。所有试剂均按收到状态使用，无需进一步纯化。

**2.2 磁性Fe3O4/FNS-PEI复合吸附剂的合成**

FNS首先通过Song等人报道的改良St?ber方法合成，其中丁醛作为共结构导向剂。简要来说，将1.28 g的CTAB溶解在24.0 mL去离子水中，然后加入30.0 mL的丁醛。混合物在室温下在一个密封容器中搅拌5分钟。随后，快速加入12.0 mL的氨水（25–28 wt%），并且继续搅拌30分钟。然后逐滴加入5.6 mL的四乙基正硅酸盐（TEOS），并在室温下搅拌24小时。所得产物通过过滤收集，彻底清洗后，在100°C下干燥12小时，最后在空气中550°C下煅烧8小时以去除模板剂。接下来，通过胺渗透法对FNS进行功能化。通常，将一定量的PEI溶解在5 mL甲醇中并搅拌30分钟，然后加入0.1 g的FNS。混合物在室温下搅拌12小时，然后通过旋转蒸发去除甲醇。所得的FNS-PEI在80°C下真空干燥3小时。不同PEI负载的FNS分别标记为FNS-PEIx，其中x表示FNS和PEI的质量比。通过球磨将额外的10 wt%的Fe3O4加入FNS-PEI中，持续2小时以赋予FNS磁性。

**2.3 表征**

在77 K下使用Micromeritics 3Flex分析仪进行N2吸附-脱附测量，以评估FNS、FNS-PEI和Fe3O4/FNS的表面积、孔体积和孔径分布。所有样品均在105°C下使用Smart VacPrep系统真空脱气1小时。FNS的形貌特征通过扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-7100F，5–10 kV）和透射电子显微镜（TEM，ThermoFisher Spectra 300）观察。元素分布图通过能量色散X射线光谱（EDX）与SEM系统结合获得。傅里叶变换红外（FT-IR）光谱在室温下的Bruker Alpha-P光谱仪的ATR模式下在500–4000 cm^-1范围内收集。使用Bruker EPR光谱仪评估磁特性，测量是在0至600 mT的外部磁场下进行的。通过热重分析（TGA）在TA Instruments Q500分析仪上研究材料的热分解行为，N2流速为20 mL/min，从室温加热到800°C，升温速率为10°C/min。特定吸收率（SAR）按照先前报道的程序测量，即将Fe3O4/FNS样品分散在水中，并在磁感应加热过程中记录温度梯度，如公式（1）所示：

$$ \mathrm{SAR} = \frac{C_P}{m_s} \left(\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}\right) $$

其中Cp（J/g·°C）是悬浮液的比热容，ms（g）和mm（g）分别是悬浮液和磁性颗粒的质量，$\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}$（°C/s）代表温度-时间曲线的初始斜率。

**2.4 静态CO2吸附实验**

在TA Q500热重分析仪上评估FNS-PEI的静态CO2吸附能力，采用30% CO2/N2的进料模拟水泥窑的烟气。将约10 mg的FNS-PEI放入铂盘中，在40 mL/min的N2流下在105°C下脱气30分钟。冷却至测试温度后，将气流切换为30% CO2/N2，流速为90 mL/min，并保持30分钟。重复此过程50次以评估FNS-PEI的循环稳定性。

**2.5 磁场诱导突破实验**

使用定制的突破设备系统评估Fe3O4/FNS-PEI在磁场和热加热下的动态吸附和脱附性能（图1A）。为了防止金属组件的磁加热并最小化热干扰，使用了内径为1 cm的25 cm长的石英管，所有进出口连接均采用磁惰性塑料制成。磁加热由EASYHEAT系统（1.2–2.4 kW，AMBERLL）提供，配备了一个8匝的感应线圈（长度4 cm，直径2.5 cm）。温度通过光纤传感器和FOTEMP4-PLUS-P0-V-B控制器精确监测和控制。具体来说，将约0.4 mg的样品装入石英床中，并在25.1 mT的磁场下（相当于约100°C）和100 mL/min的Ar流下脱气30分钟。然后将磁场降至21.3 mT（约80°C），并将进料气体切换为30% CO2/N2，直到达到吸附饱和。随后在相同的磁场强度下将进料气体切换为Ar（80 mL/min），以保持床温在吸附和脱附步骤中接近等温。使用不同的磁场强度重复测试，对应不同的床温（图1B）。需要注意的是，尽管由于吸附热可能会产生温度波动，但由于吸附和脱附过程中的操作温度接近，因此可以认为该过程是接近等温的。为了模拟传统的热加热过程，用温度控制的加热带替换了磁场。此外，突破点定义为在柱出口处检测到5%的进料CO2浓度时刻。伪平衡吸附容量通过积分进出口浓度曲线之间的面积计算得出，直到出口浓度首次达到入口浓度（C/C0 = 1）。

**图1** 动态吸附-脱附装置示意图，结合了磁诱导加热（A）和近等温磁场辅助CSA过程（B）。在潮湿运行中，首先通过水泡器用Ar（200 mL/min）预湿润Fe3O4/FNS-PEI 1小时，然后暴露于40 mL/min流速的潮湿30% CO2/N2进料中。一旦吸附达到饱和状态，气体就切换为干燥的氩气（100毫升/分钟），并施加一个磁场以触发二氧化碳的解吸过程。通过以40毫升/分钟的流速将氩气通过水泡器（相对湿度为80%）来实现水的突破性释放，然后通过切换到干燥的氩气（100毫升/分钟）并在磁场下进行解吸。

3 结果与讨论

3.1 Fe3O4/FNS-PEI的表征

进行了N2吸附-解吸实验来表征FNS及其衍生复合材料的孔结构，如图2A和表1所示。所有样品都表现出IV型等温线，并伴有H3滞后环，表明FNS由纤维状狭缝孔组成。此外，FNS的比表面积为934平方米/克，孔体积为3.59立方厘米/克，这为PEI提供了充足的负载空间。在加载了70重量%的PEI并混合了10重量%的Fe3O4后，FNS-PEI70和Fe3O4/FNS-PEI70的孔体积分别保持在0.26立方厘米/克和0.19立方厘米/克，从而有利于二氧化碳在孔内的扩散。FNS的形态通过扫描电子显微镜（SEM，图2B,C）和透射电子显微镜（TEM，图2D）记录下来。FNS具有多孔的球形结构（平均粒径为148.4纳米，图2，B1），其径向排列的孔从中心附近的约2纳米扩展到边缘的13–22纳米（图2，D1）。正如所报道的，29, 30 PEI在这样的径向多孔支撑体中优先占据较小的中心孔，然后逐渐充满较大的孔，这种分布有助于促进二氧化碳与PEI的接触，从而增强吸附动力学（图2，D2）。此外，元素映射（图2C）显示Fe、Si和O在整个吸附剂中均匀分布。Fe的这种均匀分布有助于防止在后续解吸过程中由于局部聚集而导致的传质不均匀。总体而言，Fe3O4/FNS凭借其较大的孔体积和独特的径向纤维孔结构，以及均匀分散的Fe，实现了高量的PEI负载（即更多的吸附位点）、快速的二氧化碳扩散和均匀的加热诱导。

3.2 吸附剂的磁性质

进行了EPR（电子顺磁共振）和SAR（磁响应率）分析来评估FNS、Fe3O4/FNS和Fe3O4/FNS-PEI的磁性质。如图4A所示，FNS显示几乎没有EPR信号，而通过球磨法加入Fe3O4后，Fe3O4/FNS产生了明显的信号。然而，在PEI加载后，信号强度下降，这是由于表面屏蔽效应阻碍了磁场与Fe3O4磁中心的相互作用，以及磁稀释作用减少了单位质量的磁中心数量。SAR测试是通过将磁性吸附剂以1:100的质量比分散在水中，并在特定磁场下暴露的同时记录温度变化来进行的。含有10重量% Fe3O4的Fe3O4/FNS的SAR值计算为7.8瓦特/克，提供了足够的热量来驱动二氧化碳的解吸过程。

3.3 二氧化碳吸附性能

考虑到实际的烟气温度通常在60到120摄氏度之间，评估高温下的吸附剂性能可以提高工程应用的相关性，因为这样可以避免额外的冷却步骤及其相关的能量损失。使用TGA（热重分析）在模拟的烟气条件（30% CO2/N2）下评估了FNS-PEI的二氧化碳吸附性能，温度依赖性如图5所示。PEI与CO2之间的反应是放热的，这使得高温在热力学上不利于吸附；然而，同时高温提高了柔性PEI链的流动性，暴露了更多的吸附位点并促进了二氧化碳的扩散，从而正面地影响了吸附性能。FNS-PEI30和FNS-PEI40表现出随着温度升高二氧化碳吸附能力下降的趋势（图5A），主要是由于热力学限制，因为它们较薄的PEI层和最小的扩散阻力使得从高温中获得的传质增益不足以抵消热力学损失。相比之下，高PEI负载的FNS-PEI表现出火山状的二氧化碳吸附性能温度依赖性，其中FNS-PEI70在80摄氏度时达到了4.9毫摩尔/克的二氧化碳吸附能力和0.29摩尔二氧化碳/摩尔的胺效率（图5B）。如图5C所示，由于独特的纤维孔结构和均匀分散的Fe，FNS-PEI在不同PEI负载下都在2分钟内达到了平衡。随着PEI负载的增加，较厚的胺层和部分孔堵塞导致了扩散阻力的适度增加，表现为t50（达到平衡所需的时间）从0.23分钟（FNS-PEI30）增加到0.48分钟（FNS-PEI70）。尽管FNS-PEI70的吸附动力学稍慢，但由于其显著更高的突破能力，这种时间上的延长是可以接受的。此外，由于胺层变厚和部分孔堵塞导致扩散阻力增加，吸附动力学也随之下降。在30–90摄氏度下测量的Fe3O4/FNS-PEI70的二氧化碳吸附等温线显示出在低压区域的急剧吸收，表明容易接触的胺位点被迅速占据，然后在较高压力下逐渐增加。此外，FNS-PEI的二氧化碳吸附容量和t50与在类似条件下的代表性胺功能化吸附剂进行了系统比较（表2）。与SBA-15-PEI50、MCM-41-PEI50、KIT-6-PEI50、多孔碳-PEI50和Al2O3-PEI50等吸附剂相比，FNS-PEI70在保持竞争性吸附动力学的同时实现了更高的二氧化碳吸附容量。这些结果表明，独特的纤维孔结构增强了胺的可访问性和扩散性，使得PEI支持的纤维纳米二氧化硅系统能够在不牺牲动力学性能的情况下提供显著更高的吸附容量，即使在高温条件下热力学限制更为明显的情况下也是如此。总体而言，FNS-PEI70以4.9毫摩尔/克的二氧化碳吸附容量被选为最佳吸附剂，80摄氏度被确定为后续突破测试的最佳吸附温度。

3.4 磁场辅助的CO2解吸过程

如前所述，近等温CO2解吸（CSA）过程有可能在保持稳定操作温度的同时缩短循环时间，从而提供经济和实际优势，特别是对于大规模二氧化碳捕获应用。为了验证磁场辅助CSA过程的通用性，操作在70、80和90摄氏度下等温进行。如图6A和表3所示，Fe3O4/FNS-PEI70在70摄氏度时的 breakthrough 和准平衡CO2容量分别估计为1.3和2.5毫摩尔/克，在80摄氏度时为2.3和4.1毫摩尔/克，在90摄氏度时为1.5和2.6毫摩尔/克。由于CO2与PEI之间的放热反应，在90摄氏度时观察到二氧化碳吸附容量明显下降。在70、80和90摄氏度下的二氧化碳解吸容量/分数分别为1.9毫摩尔/克/76.0%、3.8毫摩尔/克/92.6%和2.5毫摩尔/克/96.2%，这证明了在磁场辅助下几乎可以实现完全解吸的可能性。需要注意的是，近等温CSA过程不会改变胺与二氧化碳之间的内在相互作用机制（即氨基生成碳酸盐的可逆过程），而是通过降低二氧化碳的分压来促进二氧化碳的释放。

在下一步中，分别在80摄氏度下对Fe3O4/FNS-PEI70进行了磁场诱导和解热两种条件下的突破测试。如图6B所示， breakthrough时间和breakthrough以及准平衡容量分别为3.1分钟、2.3毫摩尔/克和4.1毫摩尔/克。与TGA测量相比，breakthrough测试中观察到的二氧化碳吸收量略有下降，这可能归因于吸附剂负载和操作条件的差异。在最佳温度（80摄氏度）下吸附后，分别在60、70、80和90摄氏度下使用磁场诱导和解热方法获得了解吸曲线。在磁场诱导下，二氧化碳解吸容量分别为3.0、3.3、3.8和4.0毫摩尔/克；而在传统热解下分别为2.7、2.8、3.2和3.4毫摩尔/克。结果表明，磁场辅助加热可以提高解吸性能，可能通过实现更有效的原位热生成和改善的热传递来实现。Fe3O4/FNS-PEI70在80摄氏度下显示出92.6%和97.6%的二氧化碳解吸效率。这些结果表明，在相对较低的温度下可以实现高效的再生，从而可能有助于降低总体能耗。此外，在60和70摄氏度下观察到的较低解吸容量可能归因于热能不足，无法打破氨基-碳酸盐键以促进二氧化碳的释放。在磁场诱导下增强的二氧化碳解吸可能归因于施加的交变磁场，它改变了Fe3O4纳米颗粒的排列和空间布局，从而引起了微观振动，降低了解吸所需的能量。此外，如图B1插图所示，在气体切换过程中床层内会发生轻微的温度波动，这可以产生额外的原位热，进一步有助于提高解吸性能。然而，所提出的机制仍需要进一步的实验和机制验证。为了比较加热和冷却过程中的温度响应，在干燥（图6C）和潮湿（图6D）条件下记录了固定床的温度曲线，并在表4中总结了加热/冷却速率。在干燥条件下，热加热需要11.8分钟将床层温度升至80°C，再需要20.7分钟将其冷却至30°C，而磁感应则在6.2分钟内达到相同温度，并且仅用4.9分钟完成冷却。同样，在潮湿条件下，水的热容效应降低了两种方法的加热速率，磁感应达到80°C需要11.9分钟，冷却至30°C需要7.4分钟，相比之下，热加热分别需要12.5分钟和18.7分钟。此外，磁感应的加热/冷却效率分别比热加热高193%和408%（干燥条件）以及104%和255%（潮湿条件）。如图6E所示，红外图像显示床层温度在60秒内迅速从30.6°C升至81.4°C，表现出均匀的外向加热模式和出色的热响应性。这些额外的测试表明，磁场辅助的过程比传统热加热具有更快的加热/冷却速率和均匀快速的温度升高，并且能够在相对较低的温度下实现有效的CO2脱附。

表4. 不同再生条件下的加热和冷却速率。
| 加热速率（磁感应） | 加热速率（热加热） | 冷却速率（磁感应） | 冷却速率（热加热） |
| ---------------------- | ---------------------- | ---------------------- | ---------------------- |
| (°C/min) | (°C/min) | (°C/min) | (°C/min) |
| 干燥 | 8.9 | 4.6 | 10.6 | 2.6 |
| 潮湿 | 4.6 | 4.4 | 7.4 | 2.9 |

3.5 SO2和NO杂质的效应
燃烧后烟气中SO2和NO的存在显著影响固体胺吸附剂的稳定性和寿命；因此，在下一步中使用了一种由30% CO2、195 ppm SO2、195 ppm NO和N2组成的多组分气体混合物。如图7A、B所示，Fe3O4/FNS-PEI70对N2和NO的吸附能力可以忽略不计，但对SO2的吸附能力显著，吸附容量为0.65 mmol/g。由于FNS-PEI对N2的吸附量很小，其穿透曲线并没有在开始时呈现出理想的尖锐台阶达到平衡。在80°C时脱附的SO2量仅为0.09 mmol/g，这可能是由于SO2与PEI发生了不可逆的结合。这一趋势与先前的研究结果一致，这些研究表明NO对CO2吸附能力影响较小，而SO2的暴露会导致由于与胺基团的强不可逆相互作用而显著降低吸附能力。经过5次多组分气体吸附-脱附循环后，Fe3O4/FNS-PEI70的CO2吸附容量下降了40%，降至2.5 mmol/g（图7C）。FT-IR光谱（图7D）显示，在1348 cm-1处出现谱带，对应于S-O基团的不对称伸缩振动，表明形成了硫酸盐/亚硫酸盐或磺酰胺类物质，从而证实了SO2与PEI发生了不可逆反应，并导致可用吸附位点的损失以及随后的CO2吸附容量下降。总体而言，Fe3O4/FNS-PEI70对N2和NO的吸附能力较弱，但对SO2的反应强烈且不可逆，导致5次循环后CO2吸附能力下降了40%。在磁场辅助的CSA过程中，N2和CO2可以大量脱附。

3.6 湿度的影响
众所周知，H2O的存在可以显著提高固体胺吸附剂的CO2吸附能力，这是因为形成了碳酸氢盐类物质。图8A展示了Fe3O4/FNS-PEI70在干燥和潮湿条件下的吸附和脱附曲线。在潮湿条件下，穿透时间、穿透容量和伪平衡容量分别从干燥条件下的3.1分钟、2.3 mmol/g和4.1 mmol/g增加到10.8分钟、7.9 mmol/g和10.6 mmol/g。这种改善可以归因于水在促进CO2在孔隙网络中的扩散中的作用，从而使得与孔隙深处的PEI基团发生反应。干燥和潮湿条件下N2穿透时间的差异主要是由于水在孔隙中对气体扩散的影响，这增强了N2的吸附。此外，干燥和潮湿条件下CO2的脱附量分别为3.8 mmol/g和10.0 mmol/g，对应于92.6%和94.3%的脱附率。为了更深入地了解磁场辅助CSA过程中H2O的作用，进行了H2O穿透测试，如图8B所示。在RH = 80%时，Fe3O4/FNS-PEI70的伪平衡H2O吸附容量达到17.9 mmol/g，而脱附量为16.8 mmol/g，表明大部分吸附的H2O可以有效地释放出来。这种行为归因于H2O主要通过相对弱的氢键与胺基团结合，在脱附过程中易于去除。此外，高RH水平下的高H2O吸附量还进一步解释了由于高PEI负载的吸附剂中过量H2O的吸收以及孔隙内的毛细凝结。总体而言，Fe3O4/FNS-PEI70在H2O存在下表现出较高的CO2吸附能力（10.6 mmol/g），并且潮湿条件对磁场辅助的CSA过程没有显著影响。此外，在磁场辅助的CSA过程中，水也可以大量脱附。

3.7 循环稳定性
为了评估FNS-PEI70的长期循环稳定性，首先在30% CO2/N2条件下进行了50次吸附-脱附循环，同时保持温度恒定为80°C。如图9所示，FNS-PEI70的初始CO2吸附 capacity为4.9 mmol/g，经过50次循环后逐渐降至4.6 mmol/g，容量损失不到6%。在重复循环过程中吸附能力基本保持不变，表明FNS-PEI70在无氧条件下的循环稳定性良好。性能的轻微下降可以归因于再生过程中胺类的轻微渗出。考虑到铁对胺类氧化稳定性的潜在影响，在更严格的模拟烟气条件（30% CO2/10% O2/N2）下进一步评估了Fe3O4/FNS-PEI70的循环耐久性。经过50次循环后，CO2吸附容量从4.1 mmol/g下降至3.5 mmol/g，总共损失了约14.8%。尽管有所下降，但在长时间循环后材料仍保持较高的吸附能力（3.5 mmol/g），表明其氧化稳定性良好。总体而言，这些结果证实了Fe3O4/FNS-PEI70及其磁性复合材料在实际烟气条件下用于CO2捕获的长期适用性。

3.8 再生能量的确定
在点源CO2捕获中，脱附步骤通常占总能量需求的最大部分，因此系统地分析磁场辅助的近等温CSA的能量需求对于评估过程可行性和指导进一步优化是必要的。根据方程（2）估计了Fe3O4/FNS-PEI70的理论脱附能量，并在表5中总结了相关参数。值得注意的是，在近等温操作中，相同的吸附和脱附温度消除了重复将吸附剂升温至脱附温度所需的热量，从而将近等温CSA的理论能量需求降低至仅2.0 MJ/kgCO2，远低于TSA中的传统值。此外，基于方程（3）和（4），在实验室尺度上比较了磁感应和热加热再生的实际耗散能量。脱附步骤时间是根据固定床脱附曲线（图7B）在C/C0 = 0时确定的，此时吸附剂几乎完全再生。尽管在相同的净化条件下热加热达到这一阈值的速度更快，但较短的持续时间导致再生不完全，留下残余的CO2在活性位点上，从而在后续循环中降低了有效吸附容量。根据SAR、吸附剂质量、加热带的额定有效功率和脱附步骤时间，两种情况的耗散能量分别计算为4.19 kJ和16.9 kJ。热加热与磁感应相比能量消耗几乎高出四倍，主要是因为必须加热整个固定床而不仅仅是吸附剂本身，再加上热传递损失。总之，近等温CSA通过消除显热消耗显示出较低的理论能量需求，而磁感应通过克服整个床层加热和热传递效率的低效进一步实现了较低的能量耗散。

结论
在这项研究中，通过将Fe3O4纳米颗粒与FNS和PEI结合，开发出了一种具有磁响应性的Fe3O4/FNS-PEI70，并证明了磁场辅助的CSA过程的可行性。FNS的 radial 纤维结构使得PEI的负载量高且CO2扩散速度快，FNS-PEI70在80°C下不到2分钟内达到吸附平衡，并具有4.9 mmol/g的高CO2吸附容量。磁感应实现了高效的等温脱附。在80°C和90°C下，系统的再生效率分别达到了92.6%和96.2%。与标准热加热相比，磁感应显著提高了热动力学；在干燥条件下，加热和冷却效率分别提高了193%和408%，而在潮湿条件下分别提高了104%和255%。湿度显著提高了CO2的吸附量（在80°C、RH = 80%时为10.6 mmol/g），通过促进CO2的扩散和与胺基团的反应；而几乎可逆的H2O吸附表明对磁场辅助CSA过程的效率影响可以忽略不计。相反，SO2不可逆地使胺基团失活，导致多次循环后容量损失了40%，而NO的吸附可以忽略不计。此外，磁场辅助的CSA促进了H2O和NO的几乎完全脱附。Fe3O4/FNS-PEI70表现出出色的循环稳定性，在50次循环后仍保持3.5 mmol/g的CO2容量，证明了其适用于长期实际应用。通过消除显热消耗，近等温磁场辅助的CSA过程实现了2.0 MJ/kgCO2的理论脱附能量，同时将实际耗散的能量降至805 J，显著优于TSA。