《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Intensified direct air capture of CO
2 by integrating a tailor-made water-lean absorbent with high-gravity technology
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本研究提出了一種結(jié)合高重力技術(shù)與定制水 lean 吸收劑的新型直接空氣捕獲（DAC）策略，通過實驗和分子分析，證實高重力顯著提升CO2吸收效率至常規(guī)四倍，同時降低再生能耗，為規(guī)�；疍AC提供可行方案。
高澤祥|李克瑞|蹇王鑫|秦浩|劉有志|焦偉洲
中國北方大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院化學(xué)過程強(qiáng)化山西省重點實驗室，太原 030051，中國
摘要
全球工業(yè)化的加速顯著增加了二氧化碳（CO2）的排放，這凸顯了高效節(jié)能碳捕獲技術(shù)的迫切需求。直接空氣捕獲（DAC）作為一種關(guān)鍵的負(fù)排放策略，在推進(jìn)化工行業(yè)的脫碳過程中發(fā)揮了重要作用。然而，傳統(tǒng)的DAC吸收過程受到高溶劑再生能耗、低傳質(zhì)效率以及大型設(shè)備尺寸的制約。為了解決這些問題，本文提出了一種創(chuàng)新DAC策略，該策略將高重力技術(shù)與定制的水基貧溶劑相結(jié)合。這種吸收劑由乙醇胺（MEA）、乙二醇（EG）和水組成，與水基MEA溶液相比，具有更高的CO2吸收能力，并降低了再生能耗。旋轉(zhuǎn)填充床（RPB）被用于強(qiáng)化DAC過程，系統(tǒng)研究了高重力因子和液體流速的影響。結(jié)果表明，高重力操作顯著增強(qiáng)了CO2的吸收效果，CO2的吸收量約為傳統(tǒng)吸收條件下的四倍。通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、13C核磁共振（13C NMR）和密度梯度分析（reduced density gradient analysis）闡明了CO2的捕獲機(jī)制，發(fā)現(xiàn)MEA與CO2發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，同時CO2、MEA和EG之間還存在范德華（vdW）相互作用。總體而言，高性能水基貧溶劑與高重力技術(shù)的結(jié)合顯著提高了CO2捕獲效率，并降低了能耗，為DAC的實際應(yīng)用提供了有前景且可擴(kuò)展的途徑。
引言
大氣中二氧化碳（CO2）濃度的迅速增加顯著加劇了全球變暖[1]。作為主要的溫室氣體，CO2濃度從工業(yè)革命前的280 ppm上升到了2020年的412 ppm，導(dǎo)致全球平均表面溫度上升了1.07 oC。這種變暖加速了冰川和北極冰蓋的融化，導(dǎo)致海平面上升約0.2 m[2]。為了將大氣中的CO2濃度控制在2100年前的350 ppm，開發(fā)高效的CO2捕獲技術(shù)至關(guān)重要[3]。目前，碳捕獲、利用和儲存（CCUS）被認(rèn)為是緩解全球變暖和減少CO2排放的最重要策略之一[4],[5]。然而，對CO2排放源的分析顯示，除了熱電廠等大型點源外，移動源（如車輛和飛機(jī)）以及分散的生產(chǎn)活動（如農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)）的排放也廣泛分布，這使得大規(guī)模集中處理變得困難[6]。在此背景下，國際社會正在加強(qiáng)氣候合作。在第29屆聯(lián)合國氣候變化框架公約締約方大會（COP 29）上，發(fā)達(dá)國家承諾每年向發(fā)展中國家提供至少3000億美元的氣候融資。這一承諾突顯了開發(fā)負(fù)排放技術(shù)（包括直接空氣捕獲）的戰(zhàn)略必要性[7]。
負(fù)排放技術(shù)（NETs）是最有前景的緩解措施之一，旨在直接從大氣中捕獲CO2 [8]，從而為減少排放和降低大氣中的CO2水平提供潛在途徑[9]。在各種NETs中，直接空氣捕獲（DAC）能夠從廣泛分布的源頭提取CO2。盡管大氣中CO2的濃度非常低，但其捕獲所需的熱力學(xué)能量低于煙氣碳捕獲[10],[11]。通常，DAC采用兩種主要的分離技術(shù)：吸附和吸收[12],[13]。吸附利用固體吸附劑通過材料表面的化學(xué)作用捕獲CO2[14]。然而，基于吸附的DAC存在一些實際限制，包括頻繁的吸附-解吸循環(huán)、高自動化要求、有限的吸附劑容量以及顯著的吸附劑消耗[15]。相比之下，CO2可以通過與液體溶劑的化學(xué)反應(yīng)在吸收過程中被捕獲[16],[17]，這種方法因其操作簡單、處理能力高和吸收速率快而受到廣泛關(guān)注。
鑒于人們對基于吸收的DAC的興趣日益增長，了解典型液體吸附劑的機(jī)制和性能特征至關(guān)重要。CO
2通過與吸附劑的反應(yīng)形成不穩(wěn)定的鹽類，這些鹽類在加熱時分解，從而實現(xiàn)CO
2的回收和吸附劑的再生[18],[19]。典型的液體吸附劑包括氨水、離子液體和烷醇胺。然而，氨水具有高揮發(fā)性、溶劑損失和潛在的二次污染問題[20],[21],[22]；離子液體通常受到高成本和粘度的限制[23],[24],[25]；而烷醇胺則具有低成本、高吸收能力和快速反應(yīng)動力學(xué)等優(yōu)點，使其成為迄今為止最廣泛使用的選項之一[26],[27]。盡管如此，傳統(tǒng)的水基烷醇胺含有大量水分，導(dǎo)致再生能耗較高[28]。為了解決DAC系統(tǒng)中的這一關(guān)鍵問題，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對各種DAC技術(shù)和配置進(jìn)行了廣泛的評估[29]。用有機(jī)溶劑替代水來配制無水或貧水吸附劑，在降低再生過程中的水蒸發(fā)潛熱方面顯示出巨大潛力，從而降低了整體能耗[30],[31]。
雖然無水吸附劑可能因高粘度而面臨挑戰(zhàn)，這會損害傳質(zhì)和吸收性能，但貧水配方可以有效緩解這一問題[32],[33]。例如，Yin等人[34]使用DMSO作為共溶劑，開發(fā)了一種由2-(丁氨基)乙醇（BAE）/DMSO/H2O組成的貧水溶劑，用于高效捕獲CO22O，開發(fā)了一種EMEA/NMP貧水溶劑，大幅降低了再生能耗。Gao等人[36],[37]研究了基于環(huán)狀仲胺的三元和稀釋劑改性的四元深共晶溶劑（DESs）用于CO2捕獲，報告了低再生能耗，并為其潛在的工業(yè)規(guī)模化應(yīng)用提供了實驗和理論支持�？傮w而言，這些研究表明，貧水吸附劑在保持良好的CO2吸收性能的同時，顯著降低了再生能耗。然而，現(xiàn)有的研究主要集中在煙氣或中高CO2濃度條件下，尚未涉及CO2濃度極低的DAC條件。相比之下，水基烷醇胺溶液在工業(yè)應(yīng)用中更為成熟且成本效益更高，但其在DAC條件下的吸附-解吸行為仍很大程度上未被探索。因此，迫切需要對貧水吸附劑系統(tǒng)在DAC相關(guān)條件下的性能和能耗進(jìn)行系統(tǒng)評估。
除了吸附劑外，吸收設(shè)備也是影響DAC性能的另一個關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的填充塔通常具有低的氣液傳質(zhì)效率和大型設(shè)備尺寸，而旋轉(zhuǎn)填充床（RPB）以其高效的氣液傳質(zhì)性能而脫穎而出。其緊湊的配置顯著減小了設(shè)備尺寸，并在提高CO2捕獲效率和降低能耗方面具有明顯優(yōu)勢。在RPB中，填料的高速旋轉(zhuǎn)剪切了液膜，擴(kuò)大了氣液界面面積，并在高重力場中誘導(dǎo)了強(qiáng)烈的微觀混合。這一過程增強(qiáng)了液體湍流，加速了邊界層的破壞，并促進(jìn)了表面的快速更新。根據(jù)文獻(xiàn)，RPB中的界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)可以比傳統(tǒng)填充塔高1–3個數(shù)量級[38]。因此，RPB已廣泛應(yīng)用于各種氣體的吸收，包括硫化氫、高濃度NOx、含VOC的廢氣以及富含NH3的廢氣，展示了顯著的過程強(qiáng)化效果[39],[40],[41],[42]。然而，迄今為止還沒有研究探討將高重力技術(shù)與貧水吸附劑結(jié)合用于CO2的捕獲。
基于上述分析，本研究提出了一種過程強(qiáng)化策略，將高重力技術(shù)與新設(shè)計的水基貧溶劑相結(jié)合。工作結(jié)構(gòu)如下：首先，通過部分用水的高沸點物理溶劑替代水來定制一種新型貧水吸附劑。接下來，在RPB中評估優(yōu)化后的吸附劑的DAC性能，以考察高重力場的強(qiáng)化效果。最后，通過結(jié)合實驗表征和分子級分析闡明了所選吸附劑的CO2捕獲機(jī)制。
試劑和設(shè)備
氮氣（N2，99.99%）購自太原泰能氣體有限公司。乙醇胺（MEA，99%）、N-甲基二乙醇胺（MDEA，99%）和1,2-丙二醇（PG，99%）購自安徽澤勝科技有限公司。二乙醇胺（DEA，99%）、乙二醇（EG，99%）和苯甲醇（BA，99%）購自上海麥克林生化科技有限公司。去離子水在實驗室中制備。從環(huán)境空氣中捕獲的CO2濃度為400 ppm。所有實驗均在此條件下進(jìn)行。
吸附劑類型的影響
在常重力條件下，評估了由不同烷醇胺和物理溶劑配制的各種貧水吸附劑的DAC性能，以確定最佳溶劑。如圖3a和3b所示，三種烷醇胺的CO2吸收率和容量順序為：MEA>DEA>MDEA。MEA的性能優(yōu)于DEA和MDEA，而后兩者的性能相對較低。這一趨勢可以歸因于它們的分子結(jié)構(gòu)
結(jié)論
本研究提出了一種通過將高重力技術(shù)與定制的水基貧溶劑相結(jié)合的直接空氣捕獲（DAC）CO2的新強(qiáng)化策略。通過在常重力條件下系統(tǒng)篩選烷醇胺和物理共溶劑，確定了一種最佳的吸附劑組合：MEA:EG:H2O（0.2:8.2:1.6）。所得到的貧水吸附劑表現(xiàn)出相對較高的CO2吸收能力，為0.0234 mol CO2·kg?1吸附劑。其再生能耗為
作者貢獻(xiàn)聲明
秦浩：撰寫 – 審稿與編輯、軟件處理、數(shù)據(jù)分析。劉有志：監(jiān)督、概念構(gòu)思。焦偉洲：撰寫 – 審稿與編輯、項目管理、概念構(gòu)思。高澤祥：撰寫 – 初稿撰寫、實驗研究。李克瑞：實驗研究、數(shù)據(jù)管理。蹇王鑫：實驗研究。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了中國國家重點研發(fā)計劃（2025YFE0199000）、Horizon Europe框架計劃（101183092）、山西省研究生創(chuàng)新項目（2025SJ308）、國家自然科學(xué)基金（22408354, U23A20676）以及山西省基礎(chǔ)研究計劃（202403021212039）的支持。
