综述：用于高效捕获二氧化碳的气液多相反应过程强化技术

《Chemical Engineering Science》：Gas–liquid multiphase reaction process intensification for energy-efficient CO2 capture

　　魏张|张亚东|袁睿|李平|毛玲玲|李斌|余凯|徐浩杰|董明东|王俊峰中国江苏大学能源与动力工程学院，镇江212013摘要燃烧后化学吸收仍是大规模二氧化碳捕集最为成熟的技术；然而，其广泛应用受到再生能量需求、气液传质限制以及实际反应器放大难题的共同制约。这些挑战与气泡尺度流体动力学、界面传输、反应动力学以及反应器尺度流体动力学之间的耦合密切相关，而目前对此理解尚不充分。本综述从气液多相过程强化的角度探讨二氧化碳吸收技术，重点关注气泡分散系统。我们首先介绍了界面传质的基本原理以及传统吸收剂和新型吸收剂的物理化学性质，随后探讨了从单个气泡的上升与收缩到气泡群行为以及微/纳米气泡生成的气泡动力学现象，及其对界面面积和接触效率的影响。此外，还评估了包括改进反应器内部结构、外部场耦合以及添加纳米粒子或表面活性剂在内的反应器级强化方法在提升传质效果和降低能耗方面的作用。通过将微观气泡行为与反应器级性能联系起来，本综述阐明了多相传输过程对二氧化碳吸收系统能效和可扩展性的影响，为设计低能耗且具有工业推广价值的碳捕集技术提供了参考。

引言自工业革命以来，全球发展在很大程度上依赖于自然资源的过度开采。化石燃料的广泛使用、大规模森林砍伐以及土地用途变化显著增加了人为温室气体排放，进而加速了全球变暖和气候变化进程。为应对这些挑战，到2050年实现碳中和已成为全球的重要目标。要实现这一目标，就需要对现有能源体系进行深刻变革，以大幅减少温室气体排放，这既是一项紧迫的任务，也是一项艰巨的技术挑战。尽管可再生能源发展迅速，但全球能源体系仍严重依赖化石燃料，因此仅依靠能源结构调整很难在短期内实现碳中和目标（Achakulwisut等人，2023；国际能源署，2025；Wang等人，2021）。因此，碳捕获、利用与封存技术作为脱碳策略的实用补充，越来越受到重视（Gao等人，2025b；Griffiths和Uratani，2025；Nessi等人，2026）。作为CCUS流程的第一步，碳捕获能够将二氧化碳从工业烟气中分离出来，从而有助于减少排放并实现脱碳。捕获到的二氧化碳既可以永久储存在地质构造中，也可以转化为燃料和高附加值化学品（Huang等人，2026；Rajab等人，2026；Zhang等人，2026）。因此，开发高效且成本可控的二氧化碳捕集技术对于实现CCUS技术的规模化应用至关重要。目前的二氧化碳捕集技术主要分为燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集三种类型（Du等人，2024）。虽然燃烧前和富氧燃烧捕集技术能够产生高浓度的二氧化碳流，但它们需要对现有的工业基础设施进行大规模改造，且资本投入和运营成本较高，因此主要应用于试点或示范项目（Khan等人，2026；Liu等人，2026）。相比之下，燃烧后捕集技术只需对现有发电厂和工业设施进行较小的改造即可实施，因此在可扩展性和短期应用潜力方面具有明显优势。一旦解决了关键的技术瓶颈，燃烧后捕集技术就可以广泛应用于各类工业排放源，成为大规模二氧化碳减排最具前景的途径之一（Imran-Shaukat等人，2025；Li等人，2025a；Spigarelli和Kawatra，2013；Zhou等人，2025）。燃烧后捕集技术主要包括化学吸收法（Lazou等人，2026）、物理吸附法（Raganati等人，2014）、膜分离法（Licht等人，2025）以及低温冷凝法（Song等人，2024a）。由于烟气中的二氧化碳浓度相对较低（3–30％），体积流量较大，分压较低（Bui等人，2018；Feron等人，2019），化学吸收法依然是最为成熟且具备工业化应用条件的技术，它具有较高的二氧化碳选择性、快速的反应速率以及丰富的应用经验（Laurent等人，2026；Turnell-Ritson等人，2025）。百万吨级的示范项目已经证明了该技术的可行性（Zhang，2021）。因此，人们投入了大量研究精力来改进溶剂配方、深入理解反应机理、优化反应器设计以及提升整体工艺性能（Joel等人，2024；Leclaire等人，2024；Qiao等人，2022；Wang等人，2026；Zhang等人，2023a）。虽然胺基溶剂仍是工业领域的标准选择，但其大规模应用受到高再生能耗、溶剂降解、腐蚀问题以及运营管理难题的限制（Kim等人，2024；Selalame等人，2025；Xiao等人，2024）。这些局限性凸显出除了开发更先进的吸收剂外，还需要改善气液传质性能并加强反应器级工艺强化（Rezaei等人，2023）。从反应器工程的角度来看，气泡塔、喷淋塔、填充塔和膜接触器常被用于气液吸收过程。尤其是气泡塔反应器，只要能够有效控制气泡分散和流动结构，就能凭借其结构简单、液体停留时间长、气液接触效率高以及良好的可扩展性而备受青睐（Gao等人，2023；Ghavamipour等人；Kantarci等人，2005；Pangarkar，2014）。在这类系统中，二氧化碳捕集涉及复杂的气液多相相互作用，包括气泡生成与分散、界面传质以及化学反应。微观尺度特性，如气泡尺寸分布、界面性质以及上升动态，会显著影响局部传质速率，而反应器级性能则由反应器几何结构、内部构造、操作条件、溶剂性质、进料气体组成以及外部场调控等多种因素共同决定。这些因素共同影响着二氧化碳吸收系统的流体动力学稳定性、传质效率、能耗以及放大行为（Altabash等人，2023；Li等人，2019；Shu等人，2019；Zhang等人，2023d；Zheng等人，2024a；Zheng等人，2023）。因此，通过气泡调控、界面控制和流场优化来实现多相过程强化，已成为提升气液接触效果并改善化学吸收系统整体性能的关键策略。近年来，人们提出了多种针对基于气泡的二氧化碳吸收系统的强化方法，包括微/纳米气泡生成、功能性吸收剂、表面活性剂、纳米粒子以及外部场的作用。数值建模和高分辨率可视化技术的进步也进一步加深了人们对气泡动力学和多尺度传质路径的理解。现有的综述已经为二氧化碳捕集的各个层面提供了有价值的见解，包括吸收剂开发、CCUS应用路径、反应器技术以及传质强化策略（Nekoeian等人，2021；Song等人，2019；Wu等人，2024a；Xing等人，2025；Zhang等人，2023e；Zhao等人，2016）。然而，目前对于溶剂性质、气泡行为以及反应器流体动力学之间的耦合关系关注较少。正因如此，很难准确评估吸收剂配方变化对气泡分散和传质的影响，也无法明确反应器强化策略对传质过程及整体捕集性能的作用。在此背景下，本综述从气液多相过程强化的角度探讨燃烧后二氧化碳吸收技术，重点研究液相为连续相且气体中的气泡处于分散状态的系统。本综述并非将吸收剂化学性质、气泡行为和反应器设计视为相互独立的优化目标，而是系统地分析了气泡尺度流体动力学、界面传质、反应动力学以及反应器级性能之间的关系。通过阐明微观传输过程对界面更新、传质性能以及放大行为的影响，本研究为开发低能耗且具有可扩展性的二氧化碳捕集技术提供了具有指导意义的见解。此外，本文还讨论了多尺度建模、功能材料整合以及工艺优化等前沿方向（图1）。本综述的其余部分结构如下：第2节介绍二氧化碳吸收的基本原理；第3节概述吸收剂开发的进展；第4节探讨气泡分散及其对传质的影响；第5节总结反应器级工艺强化策略；第6节给出结论与未来展望。

章节要点二氧化碳吸收的基本原理二氧化碳的化学吸收属于典型的气液多相反应系统。其核心机制是二氧化碳分子从气液界面扩散进入液相，在那里与吸收剂发生反应，形成稳定的中间产物或最终产物。这一过程包含多个相互关联的步骤，包括气相传递、界面传输、液膜扩散以及化学反应（图2）。传质速率以及气液界面的稳定性是影响该过程的关键因素。

二氧化碳吸收剂的进展与性能比较吸收剂的选择直接决定了二氧化碳捕集的性能，包括吸收能力、反应速率、再生能量需求以及整个工艺的效率。在过去的几十年里，人们已经在各种溶剂体系的开发方面取得了显著进展，这些溶剂包括传统的胺类溶液和碱性盐类，以及氨水、离子液体和复合型溶剂。由于溶剂化学相关内容已在其他文献中有详细阐述，本节将重点介绍其他方面的内容。

二氧化碳气泡分散与传质的强化多相反应器中气泡的行为对二氧化碳捕集起着至关重要的作用。气泡的生成、分散以及界面更新直接决定了可用的气液界面面积、流体动力学扰动以及反应物传输情况，进而影响局部传质现象以及整个反应器的吸收效率。在气泡塔、填充塔以及细气泡反应器等常见的气液接触装置中，有效控制气泡行为对于提升吸收效率至关重要。

反应器结构优化与工艺强化气液反应器中二氧化碳捕集的效率不仅取决于溶剂性质和反应动力学，还与反应器的流体动力学特性以及界面传输行为密切相关。传统的气泡塔和填充床往往存在气泡尺寸过大、气体分散不均以及界面面积不足等问题，这些都会限制整体的传质性能。为了解决这些问题，人们提出了许多反应器结构优化以及工艺强化的方法。

结论与展望二氧化碳捕集仍然是减少工业碳排放、推动全球脱碳战略实施的关键技术途径。随着人为二氧化碳排放量的急剧增加，迫切需要开发出可规模化应用且能耗较低的捕集技术，以便将其整合到现有的发电和工业基础设施中。燃烧后二氧化碳捕集技术为减少大型固定源的排放提供了一种切实可行且短期内即可应用的解决方案。

CRediT作者贡献说明魏张：撰写——初稿、项目管理、方法学、研究工作、资金获取、数据整理、概念构思。张亚东：撰写——初稿、研究工作、数据整理。袁睿：撰写——初稿、研究工作。李平：研究工作、定量分析、数据整理。毛玲玲：验证、方法学、数据整理。李斌：验证、方法学、研究工作。余凯：撰写——审稿与编辑、可视化、验证。徐浩杰：未引用参考文献国际能源署，2019；Ghavamipour等人，xxxx；Borhani等人，2019；Zhang等人，2021c。

利益冲突声明作者声明自己没有已知的可能影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52206201、52436005、52206198）、欧盟“地平线欧洲”研究与创新计划下的玛丽·居里行动项目（编号101086226）以及江苏大学高层次引进人才科研启动计划（编号JDKQ20250404）的支持。