南科大张作泰团队开发高效节能型二氧化碳固-液两相吸收剂

近日，南方科技大学环境科学与工程学院张作泰教授课题组在Environmental Science & Technology期刊上发表了题为“Novel nonaqueous PD/PZ/NMP absorbent for energy-efficient CO₂ capture: Insights into the crystal-phase regulation mechanism of the powdery product”的研究论文，并被选为当期Supplementary Cover。该研究开发了一种新型固-液两相吸收剂，实现了CO₂的高效率、低能耗捕集，同时创新性地提出了晶体相调控机制，为未来固-液两相吸收体系的构建提供了新思路。

Supplementary Cover（图片来源：Environmental Science & Technology）

全球变暖加剧，CO₂捕集技术（CCUS）成为缓解气候危机的核心。化学吸收法是工业烟气CO₂捕集的主流技术，其中单乙醇胺（MEA）作为传统吸收剂被广泛应用。然而，MEA再生能耗高达3.6-4.0 GJ/t-CO2，导致电力成本增加65-85%，限制了其推广。固-液两相吸收剂可以通过相分离特性降低再生能耗，但其面临着产物黏度高、分离困难的问题。因此，开发能生成易分离产物的新型吸收剂并明晰其调控机制具有重要意义。该研究开发了一种由4-氨基-1-甲基哌啶（PD）、哌嗪（PZ）和N-甲基吡咯烷酮（NMP）组成的固-液两相吸收剂：该吸收剂在吸收CO₂后生成易于分离的粉末状产物；对CO₂的吸收能力到达了0.86 mol-CO₂/mol-胺，其中91%的CO₂富集于固相中；表现出优异的循环稳定性（图 1c），在五个再生循环后保持91%的再生效率；再生能耗为1.82 GJ/t-CO₂，与MEA吸收剂相比，能耗降低了52%（图 1d）。

图1 （a）PD/PZ/NMP吸收剂结晶粉状产物的热稳定性；（b）温度和时间对PD/PZ/NMP吸收剂再生效率的影响；（c）PD/PZ/NMP吸收剂的再生性能；（d）与现有研究中报道的吸收剂的再生能耗比较。

通过表征手段结合理论计算，该研究阐明了固体产物形态的调控机制：PD与CO₂反应生成的两性离子物种（PDH⁺COO^-）溶解度低，易通过氢键形成大分子链，导致黏稠固相产物。当添加PZ后，PZ与CO₂反应产生质子化胺（PZH⁺）和单氨基甲酸酯（PZCOO^-）。在强静电引力和范德华力作用下，PZH⁺和PZCOO^-与PDH⁺COO^-相互作用形成[PZCOO^-][H⁺PDCOO^-][PZH⁺]复合物。该相互作用抑制PDH⁺COO^-的聚集，形成易分离的粉末状固体而非黏稠物质（图 2a）。图 2b展示了该吸收剂应用于工业吸收CO₂的工艺流程：烟气通入吸收塔后，吸收剂经喷淋捕获气流中的CO₂，脱碳气体从吸收塔顶排出，反应生成的固相产物经过滤分离后输送至再生塔；在再生塔中，通过加热使固相产物分解释放CO₂并再生得到PD、PZ，高纯度CO₂从再生塔顶收集用于封存或资源化利用，再生的PD与PZ则循环回吸收塔进行下一轮捕集。

图2 （a）PD/PZ/NMP吸收剂中固相产物的晶相调节机理；（b）PD/PZ/NMP吸收剂应用于工业吸收CO₂的工艺流程。

该研究不仅为CO₂捕集技术带来了新的突破，也为固-液两相吸收剂的工业化应用提供了坚实的理论基础和技术支持。随着工业设备的不断优化，预计这种低能耗、高效的CO₂捕集技术将在更多领域得到广泛应用，助力全球实现减排目标，推动环境保护和可持续发展。

南方科技大学为论文第一通讯单位，南方科技大学环境科学与工程学院2023级博士研究生谢丰为论文第一作者，张作泰教授、颜枫研究副教授为共同通讯作者，课题组成员沈雪华研究助理教授、李光环、王鹏举等为研究做出了重要贡献。以上研究得到了国家自然科学基金、广东省科技厅和深圳市科创局的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c09928