基于旋转吸附器的蒸汽辅助变温吸附直接空气捕集技术：高效低能耗碳捕集新策略

《Advanced Science》：Rapid Steam-Assisted Temperature Swing Adsorption for Direct Air Capture Using a Rotary Adsorber

本综述创新性地提出了一种基于旋转吸附器的直接空气捕集（DAC）策略，采用蒸汽辅助变温吸附（TSA）循环，将粉末吸附剂成型为结构化吸附剂，在单个反应器中实现快速碳捕集。实验结果表明，该技术可实现50%-85%的CO2捕集率，产生高纯度CO2（>90%），CO2产率达到0.235-0.352 kgCO2/kgadsorbent/day。通过数学模型优化和热回收策略，总能耗可降至7.41-9.64 MJ/kgCO2，展现出优异的碳捕集能力和应用前景。

　　

摘要

直接空气捕集（DAC）技术是实现碳中和目标的关键解决方案之一。传统DAC方法通常采用填充颗粒吸附剂的固定床反应器，存在气体压降高、传热传质差、循环周期长等局限性。本研究提出了一种创新的旋转吸附器基DAC策略，通过蒸汽辅助变温吸附循环实现快速碳捕集。

材料与方法

研究团队通过涂覆方法将聚乙烯亚胺（PEI）和硅溶胶混合物负载到玻璃纤维蜂窝基体上，制备了结构化吸附剂（AFHM）。该吸附剂在0-12 m/s空气流速下压降不超过220 Pa，显著低于颗粒吸附剂（>2000 Pa）。建立了吨级潜力的DAC原型装置，转子外径800 mm，厚度300 mm，分为吸附区（2/3截面）和解吸区（1/6截面）。

实验结果

原型测试显示，旋转吸附器可实现CO₂捕集率50%-85%，产品气纯度>90%，CO₂产率0.235-0.352 kg_CO2/kg_adsorbent/day。在64小时长期测试中累计捕获22.03 kg CO₂，相当于年捕集规模2.48吨。参数研究表明，空气流速增加会降低捕集率和产品气纯度但提高产率；旋转速度存在最优值（1.15-1.67 r/h）；蒸汽流速增加可改善性能但存在能耗权衡。

模型研究

建立的数学模型成功模拟了转子内部参数动态变化。模拟结果显示，吸附剂在解吸区经蒸汽加热后快速解吸CO₂，在吸附区通过空气冷却后高效吸附CO₂。水分的吸附-解吸行为与CO₂相反，水吸附放热促进解吸区加热，水解吸吸热辅助吸附区冷却，体现了蒸汽辅助变温循环的优势。

优化策略

通过热回收（HR）策略，将解吸出口气体压缩至3 bar后通过热交换器回收热量，可使热耗降至6.11-8.86 MJ/kg₂，总能耗7.41-9.64 MJ/kg_CO2。采用无基底结构化吸附剂（PEI-SiO₂-HC）并结合热回收（HRAE），总能耗可进一步降至2.50-3.14 MJ/kg_CO2，与燃烧后碳捕集能耗水平相当。

结论

旋转吸附器基DAC技术通过结构化吸附剂和蒸汽辅助变温吸附循环，实现了快速循环（约36分钟/周期）、高纯度CO₂生产和低能耗运行，为DAC技术提供了一种高效且有吸引力的解决方案。未来工作将聚焦于与下游CO₂利用或封存模块的集成，以及技术经济分析和生命周期评估。