通过将定制的低水分吸收剂与高重力技术相结合，强化二氧化碳的直接空气捕集

本研究提出了一种结合高重力技术与定制水 lean 吸收剂的新型直接空气捕获（DAC）策略，通过实验和分子分析，证实高重力显著提升CO2吸收效率至常规四倍，同时降低再生能耗，为规模化DAC提供可行方案。

　　

高泽祥|李克瑞|蹇王鑫|秦浩|刘有志|焦伟洲

中国北方大学化学与化学工程学院化学过程强化山西省重点实验室，太原 030051，中国

摘要

全球工业化的加速显著增加了二氧化碳（CO₂）的排放，这凸显了高效节能碳捕获技术的迫切需求。直接空气捕获（DAC）作为一种关键的负排放策略，在推进化工行业的脱碳过程中发挥了重要作用。然而，传统的DAC吸收过程受到高溶剂再生能耗、低传质效率以及大型设备尺寸的制约。为了解决这些问题，本文提出了一种创新DAC策略，该策略将高重力技术与定制的水基贫溶剂相结合。这种吸收剂由乙醇胺（MEA）、乙二醇（EG）和水组成，与水基MEA溶液相比，具有更高的CO₂吸收能力，并降低了再生能耗。旋转填充床（RPB）被用于强化DAC过程，系统研究了高重力因子和液体流速的影响。结果表明，高重力操作显著增强了CO₂的吸收效果，CO₂的吸收量约为传统吸收条件下的四倍。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、¹³C核磁共振（¹³C NMR）和密度梯度分析（reduced density gradient analysis）阐明了CO₂的捕获机制，发现MEA与CO₂发生了化学反应，同时CO₂、MEA和EG之间还存在范德华（vdW）相互作用。总体而言，高性能水基贫溶剂与高重力技术的结合显著提高了CO₂捕获效率，并降低了能耗，为DAC的实际应用提供了有前景且可扩展的途径。

引言

大气中二氧化碳（CO₂）浓度的迅速增加显著加剧了全球变暖[1]。作为主要的温室气体，CO₂浓度从工业革命前的280 ppm上升到了2020年的412 ppm，导致全球平均表面温度上升了1.07 oC。这种变暖加速了冰川和北极冰盖的融化，导致海平面上升约0.2 m[2]。为了将大气中的CO₂浓度控制在2100年前的350 ppm，开发高效的CO₂捕获技术至关重要[3]。目前，碳捕获、利用和储存（CCUS）被认为是缓解全球变暖和减少CO₂排放的最重要策略之一[4],[5]。然而，对CO₂排放源的分析显示，除了热电厂等大型点源外，移动源（如车辆和飞机）以及分散的生产活动（如农业和畜牧业）的排放也广泛分布，这使得大规模集中处理变得困难[6]。在此背景下，国际社会正在加强气候合作。在第29届联合国气候变化框架公约缔约方大会（COP 29）上，发达国家承诺每年向发展中国家提供至少3000亿美元的气候融资。这一承诺突显了开发负排放技术（包括直接空气捕获）的战略必要性[7]。

负排放技术（NETs）是最有前景的缓解措施之一，旨在直接从大气中捕获CO₂ [8]，从而为减少排放和降低大气中的CO₂水平提供潜在途径[9]。在各种NETs中，直接空气捕获（DAC）能够从广泛分布的源头提取CO₂。尽管大气中CO₂的浓度非常低，但其捕获所需的热力学能量低于烟气碳捕获[10],[11]。通常，DAC采用两种主要的分离技术：吸附和吸收[12],[13]。吸附利用固体吸附剂通过材料表面的化学作用捕获CO₂[14]。然而，基于吸附的DAC存在一些实际限制，包括频繁的吸附-解吸循环、高自动化要求、有限的吸附剂容量以及显著的吸附剂消耗[15]。相比之下，CO₂可以通过与液体溶剂的化学反应在吸收过程中被捕获[16],[17]，这种方法因其操作简单、处理能力高和吸收速率快而受到广泛关注。

鉴于人们对基于吸收的DAC的兴趣日益增长，了解典型液体吸附剂的机制和性能特征至关重要。CO₂通过与吸附剂的反应形成不稳定的盐类，这些盐类在加热时分解，从而实现CO₂的回收和吸附剂的再生[18],[19]。典型的液体吸附剂包括氨水、离子液体和烷醇胺。然而，氨水具有高挥发性、溶剂损失和潜在的二次污染问题[20],[21],[22]；离子液体通常受到高成本和粘度的限制[23],[24],[25]；而烷醇胺则具有低成本、高吸收能力和快速反应动力学等优点，使其成为迄今为止最广泛使用的选项之一[26],[27]。尽管如此，传统的水基烷醇胺含有大量水分，导致再生能耗较高[28]。为了解决DAC系统中的这一关键问题，学术界和工业界对各种DAC技术和配置进行了广泛的评估[29]。用有机溶剂替代水来配制无水或贫水吸附剂，在降低再生过程中的水蒸发潜热方面显示出巨大潜力，从而降低了整体能耗[30],[31]。

虽然无水吸附剂可能因高粘度而面临挑战，这会损害传质和吸收性能，但贫水配方可以有效缓解这一问题[32],[33]。例如，Yin等人[34]使用DMSO作为共溶剂，开发了一种由2-(丁氨基)乙醇（BAE）/DMSO/H₂O组成的贫水溶剂，用于高效捕获CO_{22O，开发了一种EMEA/NMP贫水溶剂，大幅降低了再生能耗。Gao等人[36],[37]研究了基于环状仲胺的三元和稀释剂改性的四元深共晶溶剂（DESs）用于CO2捕获，报告了低再生能耗，并为其潜在的工业规模化应用提供了实验和理论支持。总体而言，这些研究表明，贫水吸附剂在保持良好的CO2吸收性能的同时，显著降低了再生能耗。然而，现有的研究主要集中在烟气或中高CO2浓度条件下，尚未涉及CO2浓度极低的DAC条件。相比之下，水基烷醇胺溶液在工业应用中更为成熟且成本效益更高，但其在DAC条件下的吸附-解吸行为仍很大程度上未被探索。因此，迫切需要对贫水吸附剂系统在DAC相关条件下的性能和能耗进行系统评估。}

除了吸附剂外，吸收设备也是影响DAC性能的另一个关键因素。传统的填充塔通常具有低的气液传质效率和大型设备尺寸，而旋转填充床（RPB）以其高效的气液传质性能而脱颖而出。其紧凑的配置显著减小了设备尺寸，并在提高CO₂捕获效率和降低能耗方面具有明显优势。在RPB中，填料的高速旋转剪切了液膜，扩大了气液界面面积，并在高重力场中诱导了强烈的微观混合。这一过程增强了液体湍流，加速了边界层的破坏，并促进了表面的快速更新。根据文献，RPB中的界面传质系数可以比传统填充塔高1–3个数量级[38]。因此，RPB已广泛应用于各种气体的吸收，包括硫化氢、高浓度NO_x、含VOC的废气以及富含NH₃的废气，展示了显著的过程强化效果[39],[40],[41],[42]。然而，迄今为止还没有研究探讨将高重力技术与贫水吸附剂结合用于CO₂的捕获。

基于上述分析，本研究提出了一种过程强化策略，将高重力技术与新设计的水基贫溶剂相结合。工作结构如下：首先，通过部分用水的高沸点物理溶剂替代水来定制一种新型贫水吸附剂。接下来，在RPB中评估优化后的吸附剂的DAC性能，以考察高重力场的强化效果。最后，通过结合实验表征和分子级分析阐明了所选吸附剂的CO₂捕获机制。

试剂和设备

氮气（N₂，99.99%）购自太原泰能气体有限公司。乙醇胺（MEA，99%）、N-甲基二乙醇胺（MDEA，99%）和1,2-丙二醇（PG，99%）购自安徽泽胜科技有限公司。二乙醇胺（DEA，99%）、乙二醇（EG，99%）和苯甲醇（BA，99%）购自上海麦克林生化科技有限公司。去离子水在实验室中制备。从环境空气中捕获的CO₂浓度为400 ppm。所有实验均在此条件下进行。

吸附剂类型的影响

在常重力条件下，评估了由不同烷醇胺和物理溶剂配制的各种贫水吸附剂的DAC性能，以确定最佳溶剂。如图3a和3b所示，三种烷醇胺的CO₂吸收率和容量顺序为：MEA>DEA>MDEA。MEA的性能优于DEA和MDEA，而后两者的性能相对较低。这一趋势可以归因于它们的分子结构

结论

本研究提出了一种通过将高重力技术与定制的水基贫溶剂相结合的直接空气捕获（DAC）CO₂的新强化策略。通过在常重力条件下系统筛选烷醇胺和物理共溶剂，确定了一种最佳的吸附剂组合：MEA:EG:H₂O（0.2:8.2:1.6）。所得到的贫水吸附剂表现出相对较高的CO₂吸收能力，为0.0234 mol CO₂·kg^?1吸附剂。其再生能耗为

作者贡献声明

秦浩：撰写 – 审稿与编辑、软件处理、数据分析。刘有志：监督、概念构思。焦伟洲：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、概念构思。高泽祥：撰写 – 初稿撰写、实验研究。李克瑞：实验研究、数据管理。蹇王鑫：实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2025YFE0199000）、Horizon Europe框架计划（101183092）、山西省研究生创新项目（2025SJ308）、国家自然科学基金（22408354, U23A20676）以及山西省基础研究计划（202403021212039）的支持。