《Chemical Engineering Research and Design》：CFD simulation for integrated CO
2 membrane separation and membrane catalysis in ionic liquid membrane reactor
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多孔陶瓷離子液體膜反應器集成CO?分離與催化轉化，通過CFD模擬優化設計實現CO?/N?選擇性>3倍，環氧乙烷轉化率達77.7%，確定了分離與反應的最佳匹配位置。
孫建飛|陳洪麗|李楠|秦玉金|梁青華|薩占友|徐龍坤
工業流體節能與污染控制重點實驗室（教育部），青島科技大學，中國青島市266520
摘要
分離二氧化碳（CO2）并將其轉化為高價值化學品是未來碳減排的方向。本研究開發了一種多孔離子液體（IL）膜反應器的概念，使用多孔陶瓷作為載體，并在表面涂覆IL。IL既可以作為選擇性分離膜，也可以作為催化活性組分。這種板狀多孔陶瓷IL膜的兩側分別具有分離和催化的雙重功能。CO2作為原料從進料側選擇性地滲透到反應側，并與環氧丙烷（EO）發生環加成反應。基于計算流體動力學（CFD）模擬對所開發的膜反應器概念進行了評估。離子液體膜可以實現超過3倍的CO2/N2選擇性，反應速率受CO2滲透性的限制，EO的轉化率達到77.7%。通過結合CO2滲透通量和反應速率，可以確定分離和反應的最佳匹配位置，這是一種簡單但有效的方法，用于提高CO2捕獲和轉化的耦合效率。所開發的IL膜反應器概念可以輕松應用于其他反應中，以實現CO2的集成捕獲和轉化。
引言
目前，全球60%的電力生產來自煤炭資源的燃燒。作為主要的燃煤國家，中國76%的一次能源來自煤炭，其中一半用于燃煤發電廠發電。然而，沼氣或來自水泥和鋼鐵廠的工藝氣體中含有大量的粉塵、二氧化硫（SOx）、氮氧化物（NOx）和二氧化碳（CO2）（Bui等人，2018年）。盡管脫硫和脫氮技術已經成熟，但在實際應用中，需要根據廢氣特性（溫度、成分）、排放標準、成本等因素選擇工藝組合。經過冷卻、除塵、脫硫和脫氮處理的煙氣僅含有高濃度的CO2、大量的N2以及微量的O2和H2O（Dai和Deng，2024年；Hwang等人，2020年）。然而，處理后的廢氣CO2的資源化利用是推動碳中和和循環經濟的核心任務之一。
二氧化碳捕獲與利用（CCU）被認為是減少CO2排放和生產增值產品的有效方法（Kim等人，2018年）。傳統上，CCU過程采用兩步法：首先捕獲CO2，然后在第二步中進行轉化（Hu等人，2021年）。然而，這種方法工藝復雜且成本效益較低。將CO2捕獲和轉化整合為一步提供了一個有吸引力的解決方案，可能會降低CO2捕獲和轉化的能量和成本（Tian等人，2019年）。通過設計多功能材料和集成工藝，可以實現CO2捕獲和轉化的整合（Duyar等人，2015年）。
膜分離技術具有顯著的操作成本優勢，無需相變，能耗低，設備集成度高，維護要求低（Machida等人，2020年）。最重要的是，使用高性能膜可以顯著提高氣體分離效率。然而，實際應用往往受到滲透性和選擇性之間固有權衡的限制。離子液體（ILs）是一類對CO2具有高親和力的綠色溶劑，具有優異的熱穩定性、低蒸氣壓和強的可設計性（Li等人，2021年；Zhou等人，2008年；Lu等人，2004a年）。由于固體流體動力學和空間約束的相互作用，離子液體表現出強大的CO2溶解能力（Fabián-Anguiano等人，2019年）。在早期研究中，使用多孔聚合物膜來限制IL，通常稱為支撐型IL膜（Ozkutlu等人，2016年）。然而，隨著膜兩側壓降的增加，亞微米納米孔結構往往會導致選擇性降低和IL的大量損失（Roy等人，2025年）。近年來，由2D材料和高CO2親和力的IL組成的膜，特別是納米涂層IL膜，引起了關注（Dara和Pahlavanzadeh，2020年；Taipabu等人，2023年；Chen等人，2020年；Bian等人，2021年）。
Lee等人（Lee和Kang，2019年）使用聚環氧乙烷（PEO）將離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[BMIM][BF4）固定在室溫下，得到了一種穩定的IL膜，其CO2滲透率為144 GPU，CO2/N2選擇性（αCO2/N2）為30。多孔陶瓷膜在高溫氣體分離領域具有一定的優勢，因為它們具有優異的熱穩定性和耐腐蝕性，以及可控的孔結構。然而，IL的性能受到多孔陶瓷膜的高氣體分離性能的限制，氣體質量傳遞過程主要是粘性流動和擴散的結合（Centi等人，2003年）。
支撐型IL膜已應用于從CO2和環氧氯丙烷連續催化合成環狀碳酸酯的膜反應器中。然而，關于CO2膜分離和CO2膜催化的耦合研究尚未見報道，但已有類似的研究工作提出。Huang等人（Yue等人，2021年）設計了一種具有“三明治”結構的雙功能催化膜，由多孔α-Al2O3陶瓷管支撐，中間層為親水性沸石LTA膜，表層為Cu-ZnO-Al2O3-ZrO2。該膜在260 ℃和3.0 MPa條件下催化CO2加氫生成甲醇（CH3OH），CO2轉化率達到36.1%，CH3OH選擇性達到100%。高催化性能歸因于膜連續去除副產物水，打破了熱力學平衡限制，避免了催化劑失活，顯著提高了CO2轉化率和CH3OH選擇性。Zhang等人（Zhang等人，2019年）開發了一種雙相離子通道（CO32-/O2-）CO2傳輸膜，在750 ℃以上溫度下有效將乙烷（C2H6）轉化為乙烯（C2H2）和合成氣，實現了90%的C2H6轉化率、60%的CO2轉化率和80%的C2H4選擇性，以及約0.45 mL·min-1·cm-2的C2H4通量密度。與傳統C2H6非催化高溫（>900 °C）蒸汽裂解相比，該過程的能耗更低，產品效率更高。此外，通過雙離子膜層滲透的CO2在催化劑的作用下促進了逆水煤氣 shift（RWGS）反應，從而促進了H2的去除，并抑制了焦炭的產生。
關于CO2捕獲和轉化研究的計算流體動力學（CFD）模擬方法相當有限。Sun等人（Sun等人，2023年）使用CFD模擬研究了使用離子液體膜的連續催化CO2環加成反應的影響，結果表明，最高的化學計量系數與最低的DaPe相結合可以實現最高的轉化率提升，停留時間增加到0.048s-0.056 s，有效緩解了產物的濃度梯度分布。此外，改變陶瓷管或膜反應器的尺寸可以充分利用SILM的軸向催化性能。
目前，關于膜分離和膜催化耦合的報道相對較少，主要是由于操作設備昂貴、工藝復雜以及直接實驗研究的難度。應用CFD對CO2分離和反應過程進行建模和模擬相對簡單。通過將操作條件與IL膜分離和膜催化的滲透通量、轉化率和產率相關聯，并確定適當的操作窗口，強調了模型幾何特征的重要性。本研究有助于未來集成CO2捕獲和轉化的膜反應器的設計。
節選內容
膜反應器耦合過程的概念
本研究中使用的膜反應器的幾何結構是一個二維軸對稱設計的多孔管反應器。如圖1所示，該反應器采用軸對稱結構，并嵌入了多孔陶瓷離子液體膜。外管由不銹鋼制成，內側是多孔陶瓷離子液體膜，將反應器空間分為兩部分。反應器的外徑為16 mm，膜管的內徑為
CFD建模
本節介紹了CFD建模的基本原理、多物理場控制方程、膜分離過程和反應動力學，以及使用ANSYS Fluent程序實現耦合過程的方法。
模型有效性驗證
為了驗證所建立的反應模型的有效性，本研究在類似條件下將模擬結果與參考文獻（Guo等人，2023年）中的實驗值進行了系統比較。圖3顯示了EO轉化率溫度曲線與Wang等人（Guo等人，2023年）的實驗數據之間的比較。在423 K-468 K的四個代表性反應溫度下，構建的反應模型分別獲得了31.2%、41.9%、57.9%和60.1%的EO轉化率
結論
開發用于CO2分離和催化反應的集成IL膜使得將CO2捕獲和轉化集成到單一設備中成為可能。在本研究中，設計了一種新的IL膜反應器概念，其中IL被限制在多孔陶瓷載體內，IL既可作為選擇性分離膜，也可作為催化活性組分。該膜反應器采用管狀設計，多孔陶瓷IL膜采用板狀設計。
CRediT作者貢獻聲明
薩占友：可視化、驗證、監督、軟件、資源、方法論。徐龍坤：資源、軟件。孫建飛：寫作 – 審稿與編輯、寫作 – 原稿撰寫、資源、項目管理、方法論、調查、資金獲取、正式分析、數據管理、概念化。秦玉金：調查、資金獲取。梁青華：監督、軟件、資源、項目管理。陳洪麗：寫作 – 審稿與編輯、寫作 –
利益沖突聲明
作者聲明本文不存在已知的利益沖突或個人關系。
致謝
作者非常感謝山東省自然科學基金（ZR2024QB148）和工業流體節能與污染控制重點實驗室（教育部）（CK-2024-0041）的支持，以及中國國家自然科學基金（52404222）的財政支持，同時也感謝青島科技大學的優秀人才引進計劃。同時，我們還想對這些作者的貢獻表示感謝：
