对2-(异丙氨基)乙醇（IPAE）和2-甲基哌嗪（2MPZ）的水性双溶剂混合物进行了研究，以评估其作为二氧化碳（CO?）吸收剂的潜力。研究方法包括二氧化碳吸收剂筛选测试、13C核磁共振（NMR）分析、氧化降解实验以及腐蚀性能研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Investigation of aqueous bi-solvent blends of 2-(isopropylamino)ethanol (IPAE) and 2-methylpiperazine (2MPZ) for CO 2 capture using CO 2 absorbent screening tests, 13C NMR, oxidative degradation, and corrosion studies

IPAE与2MPZ混合溶液在4.0M浓度下表现出最佳CO2捕集性能，循环容量达2.3671mol·L?1（5M MEA的91%），热负荷降低49.64%，并通过13C NMR证实碳酸氢盐中间体促进脱附，氧化降解速率常数（1.23×10??h?1）仅为5M MEA的21%，同时形成保护性FeCO3层将腐蚀率降至0.0288mmpy。

　　

Jieun Kim|Gyeongmin Baek|Hyunji Lim|Kwanghwi Kim|Jo Hong Kang|Hyun Sic Park|Jinwon Park|Hojun Song

韩国工业技术研究院低碳能源小组，韩国蔚山中区Jongga-ro 55号，44413

摘要

为了实现高效的胺基燃烧后CO?捕获，需要具有低热负荷和长期稳定性的吸附剂。本研究考察了2-(异丙氨基)乙醇（IPAE）和2-甲基哌嗪（2MPZ）水溶液混合物的CO?捕获性能、氧化降解情况以及腐蚀行为。这两种物质以3.5和4.0摩尔比混合，形成两种混合物：混合物1（IPAE:2MPZ = 1:0.84）和混合物2（IPAE:2MPZ = 1:1.33）。结果表明，在测试范围内，4.0摩尔比的混合物2（1.72摩尔IPAE + 2.28摩尔2MPZ）表现出最佳性能。与5摩尔比的MEA相比，该混合物的循环容量提高了91%，达到2.3671摩尔·升?1，热负荷降低了49.64%，初始CO?吸收速率（156.2 × 10??摩尔·升?1·秒?1）也相当。通过13C核磁共振（13C NMR）技术分析了4.0摩尔比混合物2的CO?捕获机制，发现CO?吸收过程中形成了碳酸氢盐物种，这些物种促进了CO?的解吸。此外，还利用酸滴定、电感耦合等离子体-原子发射光谱（ICP–AES）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM–EDS）和X射线衍射（XRD）技术评估了其氧化降解和腐蚀情况。研究证实，IPAE的空间位阻效应增强了其氧化稳定性（氧化降解速率常数k为1.23 × 10??小时?1，仅为5摩尔比MEA的21%）。同时，碳酸氢盐物种在碳钢表面形成了保护性的针铁矿（FeCO?）层，使腐蚀速率降至0.0288毫米每年（比5摩尔比MEA低94%）。因此，4.0摩尔比混合物2在CO?捕获性能和长期稳定性方面均优于5摩尔比MEA。

引言

温室气体（尤其是二氧化碳CO?）的排放导致全球变暖，已成为一个严重的环境问题[1]。燃煤电厂燃烧化石燃料会向大气中释放大量CO?。在工业烟气中捕获CO?的技术中，基于胺的水溶液燃烧后CO?捕获技术被认为是最有效的方法之一[2][3]。胺基溶液因其能有效吸收CO?且在加热再生后可重复使用而广泛应用于化学CO?捕获[4]。

水溶性单乙醇胺（MEA）溶液是燃煤电厂常用的吸附剂，也被视为所有碳捕获与储存（CCS）过程的基准溶剂[4][5]。然而，基于MEA的化学吸收方法存在显著缺点，即需要大量的再生能量，这阻碍了其商业化[4][6]。因此，要实现该技术的商业化，需要具备以下特性的吸附剂：低热负荷、高CO?反应性、低腐蚀性、低粘度和高热稳定性[7]。

特别是，热负荷占CO?捕获过程总运营成本的约70–80%[8]。因此，研究人员最近开始关注氨基酸盐吸附剂[9]，以及如本研究所用的水溶性混合胺溶液，这些溶液能够降低热负荷[10][11][12][13][14]。由于不同胺类的CO?吸收-解吸行为各不相同，通过混合使用多种胺类可以产生互补效应，从而获得比基准5摩尔比MEA性能更好的吸附剂[15]。Chen等人[12]研究了MEA、N-甲基二乙醇胺（MDEA）和2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）三种溶剂的混合物的CO?吸收和解吸性能，发现其热负荷低于5摩尔比MEA，显示出良好的CO?捕获潜力。Zhen等人[13]研究了AMP + 2-氨基乙醇（EAE）混合物的CO?吸收-解吸行为，发现1:1摩尔比的混合物循环容量比30% wt%的MEA高70%，解吸能量仅为其60%。Zhang等人[14]指出，MEA、EAE和3-二乙氨基-1-丙醇（3DEA1P）的混合物相比5摩尔比MEA可降低40–51%的相对能耗，加入Ni/ATP催化剂后这一优势进一步提升至61%。

尽管已有研究表明混合胺溶液可以降低CO?捕获过程中的热负荷，但关于胺类组合的选择标准和方法、以及混合吸附剂的耐久性（如氧化降解和耐腐蚀性）的综合研究仍较为有限。理想的吸附剂应具有高CO?反应性、低热负荷、高氧化稳定性和低腐蚀性。然而，这些特性之间存在权衡：一级或二级胺类与CO?反应迅速但热负荷较高，而三级或空间位阻胺类虽然吸收CO?较慢，但再生更容易。此外，高浓度的吸附剂有利于CO?吸收，但会增加氧化降解、腐蚀和粘度。因此，在开发新吸附剂时必须考虑这些因素。

在我们之前的研究中[16]，定量分析了30种单胺的结构-性能关系，发现具有空间位阻效应和高循环容量的胺类与具有高反应性的多胺类可以相互补充。基于这些发现，本研究选择了2-(异丙氨基)乙醇（IPAE）和2-甲基哌嗪（2MPZ）组成的混合胺系统，并对其CO?捕获性能、氧化稳定性和耐腐蚀性进行了全面评估。IPAE是一种在α位含有大体积烷基取代基的空间位阻胺，虽然增加了CO?的负载能力和循环容量，但降低了吸收速率；在30% wt%浓度下，IPAE的循环容量比5% wt%的MEA高123%，但吸收速率低32%。相比之下，2MPZ等多胺类提供了多个反应位点，既保证了高循环容量又实现了快速吸收，尽管粘度略有增加。在30% wt%浓度下，2MPZ的循环容量比MEA高106%，吸收速率也高69%。

这两种胺以3.5和4.0摩尔比混合，形成两种混合物：混合物1（IPAE:2MPZ = 1:0.84）和混合物2（IPAE:2MPZ = 1:1.33）。选择这些配比是为了在保证足够CO?吸收能力的同时避免粘度过高或沉淀现象，并确保混合比例的差异足以分析成分效应。另外，由于2MPZ在室温下为固态（熔点约为64°C），且其与CO?的反应热高于IPAE（IPAE为-63.5 kJ·mol?1，2MPZ为-79.65 kJ·mol?1[17][18]），因此2MPZ比例过高或总胺浓度超过4.0摩尔比时会导致不利影响。总胺浓度超过4.0摩尔比也会增加沉淀风险和热负荷，从而抵消循环容量的优势。CO?捕获性能通过40°C下的CO?吸收实验（压力为15 kPa）和80°C下的CO?解吸实验进行量化。分析了总浓度和混合比例对CO?捕获行为的影响，结果表明4.0摩尔比混合物2（1.72摩尔IPAE + 2.28摩尔2MPZ）的表现优于基准5摩尔比MEA溶液。为进一步研究CO?吸收机制，对吸收前后的溶液进行了13C NMR分析，并定量评估了氧化降解情况；同时使用SEM–EDS、ICP–AES和XRD技术分析了碳钢的腐蚀行为。所有实验条件均与5摩尔比MEA时相同。

本研究具有重要意义，因为它通过实验验证了我们在先前工作中提出的胺类混合策略。特别是4.0摩尔比混合物2（IPAE + 2MPZ的新组合）在实现高CO?捕获性能、低氧化降解和低腐蚀性的同时，为燃烧后CO?捕获过程提供了一种高效且耐用的替代方案。

材料

本研究使用的胺类购自日本TCI公司（Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.），具体信息见表1。水溶性胺溶液通过将胺类溶解在去离子水中（HIQ，Human Science Co., Ltd.，韩国）制备。混合胺溶液的总胺浓度分别为3.5和4.0摩尔，两种组分的摩尔比详见表2。氧化降解实验使用的是0.1 N标准浓度的硫酸（H?SO?，Alfa）。

CO?吸收性能

在测量前，使用5摩尔比MEA作为基准溶剂验证了吸收-解吸装置的准确性。在15 kPa的CO?分压下测得5摩尔比MEA的平衡CO?负载量为2.9175摩尔·升?1，结果与文献数据一致（见表4）。

在15%体积百分比CO?（N?平衡）和40°C、大气压条件下，研究了单一胺类和混合胺类溶液的CO?吸收性能。

结论

本研究考察了由空间位阻胺2-(异丙氨基)乙醇（IPAE）和多胺2-甲基哌嗪（2MPZ）组成的水溶液混合物的CO?吸收-解吸性能、氧化降解和腐蚀特性。在所有测试组合物中，4.0摩尔比混合物2（1.72摩尔IPAE + 2.28摩尔2MPZ）表现出最佳的CO?捕获性能，其CO?负载量为2.9175摩尔·升?1，循环容量为2.3671摩尔·升?1。

CRediT作者贡献声明

Gyeongmin Baek：研究、方法学、验证。Hyun Sic Park：可视化分析。Jinwon Park：正式数据分析。Kwanghwi Kim：可视化分析、方法学。Jo Hong Kang：正式数据分析。Hyunji Lim：验证、方法学。Hojun Song：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。Jieun Kim：撰写初稿、研究、正式数据分析、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者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

本研究得到了韩国工业技术研究院的支持（资助编号：KITECH JF-25-0012, KITECH EH-25-0007）。