CO?被吸收到一种受生物启发的基于大豆的绿色溶剂中的动力学过程

本文系统研究了新型大豆基绿色溶剂（SBB）对CO2吸收的动力学行为，发现其在高负载（0.48-0.70 mol/mol）下表现出独特的补偿效应，物理传质系数提升有效缓解了总速率常数的下降。通过伪一级动力学近似确定了反应级数、活化能等关键参数，证实SBB的zwitterionic机制使其化学活性显著优于传统MEA，同时具有更优的传质性能和热稳定性，为可持续碳捕集技术提供了理论支撑。

　　

徐文强|姜书芳|舒婷婷|邹露西

中国湖北省大学化学与化工学院小分子药物精准合成重点实验室，武汉430062

摘要

本研究采用一种新型的、受生物启发的基于大豆的绿色溶剂（SBB）对CO₂的吸收过程进行了系统的动力学研究。在包括温度、溶剂浓度和CO₂负载量在内的多种操作参数下，对其动力学行为进行了探讨。通过使用两性离子机制，我们基于快速伪一级反应近似法确定了相关动力学参数，从而定量表征了吸收动力学。值得注意的是，与传统的单乙醇胺（MEA）相比，SBB表现出显著增强的化学反应性和更快的氨基甲酸酯形成速度。此外，研究发现，在较高的CO₂负载量（0.48–0.70?mol·mol^?1）下，整体反应速率常数（k_ov）的下降被物理传质系数（k_L^o）的补偿性增加所缓解。这一独特特性表明该系统在高负载条件下具有显著的韧性。这些关于反应动力学和传质特性的基本见解显著推进了对基于氨基酸的溶剂系统的理解，进一步确立了SBB作为下一代碳捕获技术的有前景的可持续替代品的地位。

引言

碳捕获、利用和封存（CCUS）被认为是将平均温度控制在比工业化前水平高1.5°C以下的关键手段之一。然而，迄今为止CCUS的投资仍未能达到实现净零排放（NZE）目标所需的水平（Rui等人，2024年；Vishal等人，2021年）。大约95%的已宣布的CCUS项目尚未进入最终资本投入决策阶段。导致CCUS推广缓慢的多个因素中，缺乏经济吸引力是最常被提及的原因之一（Lu等人，2026年）。降低碳捕获技术的成本一直被认为是推动CCUS大规模应用的前提。在工业层面，主要采用的碳捕获技术是基于液体的化学吸附过程，因为它们具有较高的吸附速率和选择性（Cheng等人，2023年）。基于液体的化学吸附过程还可以轻松地整合到现有的化石燃料驱动的工业过程中，显示出良好的工业化前景。实际上，经过数十年的技术积累，水基胺类溶剂（如单乙醇胺（MEA）已经在工业上得到应用并实现了小规模商业化（Li和Mather，1994年）。然而，广泛使用的胺基吸附剂仍存在一些缺点，例如回收过程能耗高、设备腐蚀、有毒溶剂损失以及由于降解导致的失活（Gonfa等人，2016年）。这些常见的缺点显著增加了商业运营的总成本。因此，从短期到中期来看，需要改进水基胺类捕获技术以降低CCUS的应用成本。

作为更环保的替代品，氨基酸盐因其与CO₂的优异反应性、低毒性、高热氧化稳定性以及较大的化学可调性而被认为是一种有前途的烟气CO₂捕获候选材料（Enjavi等人，2024年；Li等人，2025年；Momeni等人，2024年）。先前的试点测试也表明，使用这些氨基酸盐配方时溶剂损失很少且稳定性良好（Dashti等人，2021年）。此外，由于其相对较高的表面张力，氨基酸盐比烷醇胺更适合用于基于膜的烟气CO₂捕获过程。自然界中有超过20种氨基酸，具有两性离子特性的氨基酸盐能够在高pH条件下确保CO₂的吸收（Kumar等人，2003年）。通常，水基氨基酸盐是通过用碱在等摩尔浓度下中和氨基酸获得的（Masoumi等人，2016年）。在过去的二十年里，有许多研究比较了不同氨基酸盐在CO₂捕获方面的性能。然而，这些研究几乎都只关注了单一成分的氨基酸盐（Kumar等人，2003年；Sang Sefidi和Luis，2019年；Vaidya等人，2010年）。然而，来自商业蛋白质来源的氨基酸盐通常以混合物的形式存在，而非纯物质。纯化过程显然增加了获取单一成分氨基酸的成本（Andreeva等人，2021年）。值得注意的是，从相同的商业蛋白质中可以提取出用于制备单一成分CO₂吸附剂的多种氨基酸盐。换句话说，蛋白质可以直接转化为CO₂吸附剂而无需纯化（Recker等人，2022年）。此外，混合氨基酸盐已被证明是合成CO₂吸附剂的有效替代方案，能够更好地满足主要性能要求（Uludag-Demirer等人，2023年）。因此，使用天然来源的氨基酸盐混合物制备CO₂吸附剂在降低成本的同时，保持了可持续性和环保性。

鉴于这些考虑，我们之前的研究已经确定了一种基于大豆的溶剂（SBB）作为烟气CO₂捕获的有前景的替代品。SBB是通过用18种氨基酸的混合物中和水碱制备的，反映了大豆蛋白的组成特征（支持信息，表S1）（Gusnawan等人，2020a；Gusnawan等人，2020b；Gusnawan等人，2020c；Xu等人，2025年）。研究结果表明，稀释的SBB溶液（0–2?M）的CO₂捕获性能与MEA相当。在多种条件下对SBB进行了系统评估，测定了包括CO₂溶解度、蒸气压和吸收通量在内的关键吸收性质。此外，核磁共振光谱证实了CO₂与溶剂组分之间的相互作用，并在不同CO₂负载量下识别出了反应中间体（Gusnawan等人，2020a；Gusnawan等人，2020b；Gusnawan等人，2020c）。在多种剥离条件下，CO₂富集的SBB的再生速率和效率几乎是MEA的两倍，且能耗降低了约三分之一（Gusnawan等人，2020a；Gusnawan等人，2020b；Gusnawan等人，2020c）。尽管在我们之前的工作中SBB作为替代吸附剂的优越性能已经得到证实，但关于CO₂吸收的基本理论和知识尚未得到充分探讨（Gusnawan等人，2020a；Gusnawan等人，2020b；Gusnawan等人，2020c；Xu等人，2025年）。尚未充分揭示基本反应机制和动力学行为，以解释SBB出色的CO₂捕获能力。因此，仍有很多基础理论工作需要进一步推进基于SBB的吸附剂系统。

众所周知，反应动力学知识对于准确评估和预测使用特定吸附剂的CO₂捕获过程至关重要（Kim等人，2012年）。尽管之前的研究部分描述了SBB的CO₂吸收行为，但在理解具体化学过程方面仍存在空白（Xu等人，2025年）。因此，对混合溶液进行详细表征对于阐明其机制和评估其应用潜力至关重要。这些参数可用于进一步阐明CO₂与混合氨基酸盐溶剂反应时的行为。重要的是，应在不同的温度、压力和浓度条件下进一步精确测量动力学速率（Paul和Thomsen，2012年）。因此，本研究的目的是全面探索CO₂在可持续的生物启发型SBB中的吸收动力学。具体来说，研究了CO₂吸收的动力学，同时考虑了温度、SBB浓度和CO₂负载量的影响。此外，还评估了SBB的基本物理化学性质，以更好地理解其动力学行为。我们相信这项研究对于开发高效、绿色的混合氨基酸盐基二氧化碳吸收过程至关重要。

章节摘录

理论与计算方法

在CO₂吸收过程中，通常假设只有CO₂与SBB之间的反应发生，而多组分氨基酸盐之间不会发生反应（Uludag-Demirer等人，2023年）。因此，可以使用两性离子机制来解释CO₂与SBB之间的反应。这种机制经常被用来阐明烷醇胺和氨基酸盐水溶液中的CO₂吸收（Caplow，1968年）。根据我们之前的

材料

本研究中使用的所有化学品，包括18种不同的非必需氨基酸盐（纯度≥98%）、单乙醇胺（MEA）和氢氧化钾（KOH，纯度99%），均购自上海Macklin试剂公司。氮气（N₂，纯度99.999%，v/v）、二氧化碳（CO₂，纯度99.999%，v/v）和一氧化二氮（N₂O，纯度98%，v/v）购自武汉翔云气体厂。

SBB和CO₂负载溶液的制备

根据SBB各组分的Mass组成（支持信息，表S1），将设计量的氨基酸盐溶解在去离子水中（Gusnawan等人

物理化学性质

基本的物理化学参数对于CO₂捕获过程的操作、动力学计算以及动力学行为的解释至关重要。首先在不同温度（303.15–333.15?K）下测量了不同浓度（0.5–2.0?M）SBB的密度和粘度。如表1所示，SBB的密度和粘度随浓度的增加而增加。

在303.15?K条件下的物理化学性质如下

结论

在这项研究中，我们首先测量了重要的物理性质（密度、粘度、亨利常数和CO₂的扩散率）。然后，在不同的操作参数下，使用湿润壁柱研究了CO₂在SBB中的吸收动力学。在快速伪一级反应条件下，估算了整体动力学常数、反应级数、活化能和正向二级动力学常数。实验结果表明，酸性氨基酸

术语表

A
气-液界面面积，m²
C
浓度，M
E
增强因子，无量纲
瞬时反应条件下的无限增强因子，无量纲
H
亨利常数，Pa m³ mol^?1
钾离子的比容，m³ kmol^?1
氨基酸离子的比容，m³ kmol^?1
气体的比容，m³ kmol^?1
k₂
二级反应速率常数，L mol^?1 s^?1
k_app
表观反应速率常数，s^?1
kg
总体气相传质系数，mol m^?2
kL
液相物理

CRediT作者贡献声明

姜书芳：撰写——原始草稿，可视化，数据管理。徐文强：撰写——原始草稿，数据管理。邹露西：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，方法学研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。舒婷婷：撰写——审稿与编辑，数据管理。

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

本研究得到了湖北省科学技术厅（2024DJC023，2022BAD091）的财政支持，部分得到了湖北省新型反应器和绿色化学技术重点实验室（NRG202415）和湖北省教育厅（Q20211012）的资助。作者还要感谢武汉市（武汉英才项目）的财政支持。