工程中心固定人员、新能源与低碳技术研究院鲁厚芳、刘颖颖团队近期在国际分离纯化领域著名期刊《Separation and Purification Technology》上发表了题为“Novel nonaqueous solvent for carbon capture: effects of glycol and water on CO2 absorption, desorption and energy penalty”的研究论文。该文章第一作者为四川大学化学工程学院硕士研究生张希海，通讯作者为四川大学新能源与低碳技术研究院刘颖颖副研究员。
【图文摘要｜Graphical abstract】
【文章简介｜Introduction】
脒-醇吸收剂作为一种非水吸收剂，比传统的醇胺溶液CO2吸收容量大、再生能耗低，是一种有潜力的新型吸收剂。但该吸收剂吸收CO2后黏度过大限制了其工业应用。本研究通过改变醇的类型，考察了5种短链二醇（乙二醇、1，3-丙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丁二醇和1，4-丁二醇）对1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯（DBN）-二醇吸收剂的CO2吸收、解吸、黏度以及再生能耗的影响规律，同时考察了水分对上述性能的影响。结果表明，DBN-二醇体系黏度较DBU-甘油体系黏度降低95%以上，水分含量对体系黏度影响显著，CO2的吸收容量均远高于传统醇胺溶液，再生能耗可以降低至1.38 GJ·ton-1 CO2。综合考虑再生能耗和黏度，DBN-乙二醇溶液更适用于CO2捕集，即使体系中水分含量增加至5 wt.%，解吸能耗依然能比30 wt.%一乙醇胺（MEA）溶液降低约51%。该研究对非水体系新型低能耗吸收剂的开发具有指导意义。
引言
大量CO2排放造成的温室效应严重影响全球气候和环境。二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）技术是降低CO2排放的有效途径。工业上常采用30 wt.% MEA溶液捕集CO2，但是吸收剂再生能耗过高成为该过程工业化推广的瓶颈。脒-醇溶液作为一种非水吸收剂，具有CO2吸收容量大，再生能耗低的特点，但是黏度过高不利于工业应用。脒与短链二醇形成的吸收剂比与相同分子量的一元醇形成的吸收剂CO2吸收容量更高，同时与甘油相比，短链二醇粘度更小，因此，DBN-短链二醇可能不仅具有高CO2吸收容量和低解吸能耗，而且有望降低体系黏度。研究短链二醇的结构对DBN-二醇溶液吸收、解吸CO2性能、黏度以及再生能耗的影响规律有助于新型低能耗吸收剂的开发。本研究以DBN-短链二醇为吸收剂，研究不同短链二醇对体系吸收、解吸CO2性能，黏度和再生能耗的影响规律；由于烟气中不可避免含有一定量的水分，脒-醇溶液作为典型的非水吸收剂，研究水分对该体系吸收解吸CO2性能、黏度变化规律以及再生能耗等具有重要的实际意义，更有助于促进此类吸收剂的工业应用。
图文导读
1. 二醇和水对DBN-二醇吸收、解吸CO2性能的影响
图1 DBN-二醇溶液对CO2的吸收-解吸性能（a）DBN-二醇溶液的CO2负载量（313 K）和（b）DBN-二醇-CO2溶液在353 K时的CO2解吸率
DBN-二醇溶液吸收和解吸CO2结果（图1）表明在313 K下CO2吸收容量可达4.74 mol·kg-1(21 wt.%)~5.87 mol·kg-1(26 wt.%)，均远高于30 wt.% MEA水溶液中CO2吸收容量（7 wt.%）；353K时DBN-二醇-CO2溶液的解吸率在90%左右。DBN-二醇溶液具有良好的CO2吸收-解吸性能。
图2 水分对DBN-乙二醇溶液吸收-解吸CO2性能的影响：（a）DBN-乙二醇-H2O溶液的CO2负载量（313 K）；（b）DBN-乙二醇-H2O-CO2溶液在353 K时CO2解吸率
水分的存在会提高DBN-乙二醇溶液吸收CO2的吸收速率，同时降低富液的解吸速率（图2）。13C NMR谱图（图3）表明水分、DBN和CO2三者反应生成碳酸氢盐，而DBN、醇和CO2的产物为烷基碳酸盐，碳酸氢盐稳定性高于烷基碳酸盐，不利于解吸过程的进行。
图3 13C NMR谱图（a）DBN-乙二醇和（b）DBN-乙二醇-CO2和（c）DBN-乙二醇-H2O-CO2 （CO2负载为4.08 mol·kg-1）
2. 二醇和水对DBN-二醇-CO2黏度的影响
图4 313 K下（a）DBN-二醇-CO2和（b）DBN-乙二醇-H2O体系黏度随CO2负载量的变化
DBN-二醇-CO2和DBN-乙二醇-H2O体系黏度均随CO2负载量的增加而显著增大（图4）。相同CO2负载量时，DBN-乙二醇-CO2体系黏度最低，5种二醇体系的黏度均比DBU-甘油-CO2体系低95%以上；少量水分的存在增加了DBN-乙二醇-H2O-CO2体系的黏度，但是当含水量增加至3 wt.%后，继续增加会降低吸收体系黏度，过量的水分起到了稀释剂作用。
3. 二醇和水对再生能耗和再生性能的影响
吸收剂的再生能耗Qreg主要由3部分构成：吸收剂升温显热Qs，再生反应热Qr和吸收剂汽化潜热Qv。由于DBN和二醇沸点较高，在解吸温度下挥发性较小，因此可忽略Qv的影响。采用热重-差示扫描量热（TG-DSC）测定了5种DBN-二醇吸收剂和DBN-乙二醇-水吸收剂的比热和吸收CO2反应热，并计算出不同解吸率时的Qs和Qr，最后得出再生能耗Qreg（图5）。
结果表明，5种DBN-二醇溶液的解吸反应热和比热均小于30 wt.% MEA水溶液，DBN-二醇-CO2的解吸能耗在1.38~1.77 GJ·ton-1 CO2，比30 wt.% MEA水溶液降低了51%~62%，其中DBN-1,4-丁二醇-CO2体系再生能耗最低。综合黏度和解吸能耗，DBN-乙二醇溶液是最适宜的CO2吸收剂，其解吸能耗可降至1.50 GJ·ton-1 CO2。
图5 不同CO2解吸率下的解吸能耗（a）DBN-二醇-CO2和（b）DBN-乙二醇-H2O-CO2
水分存在增加了DBN-乙二醇-CO2体系的解吸反应热和吸收剂的比热容，进而增加了DBN-乙二醇-CO2体系的解吸能耗。综合考虑CO2吸收容量、解吸率、黏度以及再生能耗，体系中水分含量不超过5 wt.%为宜，此时的解吸能耗比30 wt.% MEA溶液降低约51%。
图6 DBN-乙二醇溶液9次吸收-解吸循环时CO2吸收容量
DBN-乙二醇溶液经过9次吸收-解吸循环后，CO2负载量由最初的5.79 mol·kg-1降至4.20 mol·kg-1，为初始负载量的72%，说明多次吸收-解吸循环中吸收剂很可能发生部分降解，该工作需要进一步研究。
【主要结论｜Conclusions】
本文研究了5种短链二醇（乙二醇、1，3-丙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丁二醇和1，4-丁二醇）和水分对DBN-二醇吸收剂的CO2吸收、解吸、黏度以及再生能耗的影响规律。结果表明，DBN-二醇-CO2黏度较DBU-甘油-CO2体系降低95%以上；水分含量对体系黏度影响显著；CO2的负载量均远高于传统醇胺溶液，最高可达5.87 mol·kg-1 CO2；再生能耗最低可降至1.38 GJ·ton-1 CO2。综合考虑再生能耗和黏度，DBN-乙二醇溶液更适用于CO2捕集；9次吸收-解吸循环后CO2负载量可达到初始负载量的72%；即使体系中水分含量增加至5 wt.%，解吸能耗依然能比30 wt.% MEA降低约51%。该研究对非水体系新型低能耗吸收剂的开发具有指导意义。
【原文信息】
【原文链接】
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124437
【部分作者介绍】
张希海，硕士研究生，第一作者
邮箱：1217697970@qq.com
刘颖颖，通讯作者
邮箱：liuyingying@scu.edu.cn
四川大学副研究员，硕士生导师，主要从事酸性气体吸收剂的开发、化工过程强化以及结晶分离等领域，主持国家自然科学基金青年基金等多项科研项目，在Separation and Purification Technology, Environmental Science & Technology和 Industrial & Engineering Chemistry Research等国内外学术期刊发表学术论文50余篇。
鲁厚芳，主要作者
邮箱：luhouf@163.com
四川大学教授，博士生导师，主要研究方向包括CO2捕集与利用研究，生物质化学品和能源技术开发，化工过程低碳技术剂新工艺开发及纳/微材料的应用技术开发。四川省第九批学术与技术带头人后备人选，近年来，先后承担包括国家自然科学基金重点项目、面上项目、科技部国家支撑计划、教育部重大科学研究项目、四川省重点研发计划以及与中石化、中海油、中国环境科学院等企事业单位合作项目数十项。已发表论文200余篇，包括Industrial & Engineering Chemistry Research、AIChE Journal、Chemical Engineering Science等。
