综述：用于从天然气中捕获二氧化碳的混合离子液体胺溶剂：技术经济与环境性能的系统评价

天然气作为过渡能源，其CO?捕获技术正转向混合离子液体-胺系统，该技术提高捕获效率至93-98%，降低再生能耗20-30%，但需解决规模化应用中的稳定性与成本问题。

　　
### 中文解读：天然气中二氧化碳捕获技术进展与混合溶剂系统分析

#### 1. 研究背景与目标
随着全球能源结构向清洁化转型，天然气（NG）作为过渡性能源的重要性日益凸显。然而，NG燃烧和加工过程中产生的二氧化碳（CO?）排放问题亟待解决。国际能源署（IEA）和政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，至2040年，NG相关工业的CO?排放将占全球工业温室气体排放的15%以上。因此，高效、低能耗的CO?捕获技术成为关键研究课题。

本研究的核心目标是通过系统评估2000年至2024年间CO?捕获技术进展，尤其是混合离子液体（IL）-胺系统的性能，为工业应用提供理论依据。研究结合实验数据、模拟模型和生命周期分析，对比了传统吸收法、吸附技术、膜分离、低温分离等方法的优缺点，并重点探讨了IL-胺混合系统的潜力。

#### 2. 主要技术对比分析
传统CO?捕获技术可分为化学吸收、物理吸收、吸附、膜分离和低温分离五大类，各有适用场景和局限性：

- **化学吸收（以MEA为例）**
MEA（单乙醇胺）因化学吸收能力强、工艺成熟，成为工业主流。但其再生能耗高（3.5-4.0 GJ/吨CO?），且易因硫化物（Sx）、氮氧化物（Nx）和酸性气体（HCl、HF）导致溶剂降解和设备腐蚀。此外，溶剂损失率高达8-12%，需频繁补加。

- **物理吸收（如Selexol、Rectisol）**
物理吸收依赖亨利定律，溶剂（如甲基叔丁基醚）通过低沸点、高溶解度特性实现CO?分离。其再生能耗较低（2.8-3.5 GJ/吨CO?），但选择性较差，且需高压操作（>50 psi），经济性受限。

- **吸附技术（如PSA、TSA）**
压力 swing adsorption（PSA）和温度 swing adsorption（TSA）利用分子筛选择性吸附CO?，再生能耗仅为0.18-0.96 kWh/kgCO?。但吸附剂再生需高温（>100°C），且长期稳定性不足，适用于低浓度CO?（<20 mol%）场景。

- **膜分离技术**
膜法基于分子尺寸和渗透选择性，无需溶剂再生，能耗最低（0.2-3.0 GJ/吨CO?）。但膜材料易被酸性气体腐蚀，且通量较低，仅适用于中高浓度CO?（>30 mol%）。

- **低温分离技术**
通过冷却液化分离CO?，纯度高（>95%），但能耗最高（6-8 GJ/吨CO?），适用于天然气液化（LNG）和富CO?气体的纯化。

#### 3. 混合离子液体-胺系统的创新与优势
混合溶剂系统通过融合化学吸收和物理吸收的机理，显著提升CO?捕获效率与经济性。以IL-胺混合体系为例：

- **协同效应**
离子液体（IL）提供高溶解度和选择性，而胺类（如MEA、DEA）通过化学键增强CO?结合能力。例如，[Hmim][tcm]（甲基咪唑基离子液体）与MEA混合后，CO?吸收率提升至93-98%，再生能耗降低20-30%。

- **性能优化**
- **选择性**：IL-胺混合系统能同时有效去除CO?和H?S（选择性>1:100），而传统胺系统选择性仅1:15。
- **再生效率**：通过降低溶剂黏度和优化再生条件（如闪蒸法），再生能耗降至1.9-2.5 GJ/吨CO?，较MEA降低29-47%。
- **稳定性**：IL的化学稳定性（耐高温>200°C）和低挥发性减少溶剂损失，延长使用寿命（>10,000小时）。

- **经济性提升**
混合系统通过降低溶剂再生频率（年损失率<5%）和减少补加量（成本下降15-25%），使总运营成本（TAC）降低20-35%。例如，MDEA与DEA的混合溶剂在天然气处理中可将成本从$62/吨降至$45。

#### 4. 关键技术挑战与解决方案
- **溶剂兼容性**
IL与胺的相容性需通过分子结构设计优化。例如，引入烷基链的IL（如[BMIM][PF?]）可降低与胺的相分离倾向。

- **再生能耗优化**
采用热泵辅助再生技术（如HySWEET?工艺），将再生能耗降低40%，同时减少蒸汽需求（节约30%成本）。

- **规模化难题**
实验室规模（<100 kg/h）与工业规模（>10,000 kg/h）的放大差异显著。通过Aspen Plus模拟和模块化设计（如分阶段吸收-再生系统），可将放大误差控制在5%以内。

- **环境风险控制**
IL的毒性（如[EMIM][Cl]对水生生物毒性>50 mg/L）需通过稀释（如IL-胺混合比例<20%）和生物降解性溶剂（如DES）替代。例如，基于胆碱的DES（如ChCl/MEA）生物降解率>80%，且GWP（全球变暖潜能值）降低10-15%。

#### 5. 生命周期评估（LCA）与可持续发展
- **碳排放**：混合系统全生命周期碳排放比传统胺系统低12-18%，主要因再生能耗降低和溶剂循环率提升（>90%）。
- **资源效率**：IL的再生次数可达10,000次以上，而传统胺需每年补加2-5%。
- **生态毒性**：采用天然成分的DES（如ChCl/乳酸酸）可减少50%的生态风险，但需避免含氯IL的长期泄漏。

#### 6. 工业应用案例与未来展望
- **案例1：法国Lacq气田（TotalEnergies）**
采用HySWEET?混合溶剂系统，实现CO?捕集效率95%，再生能耗降低15%，年节省成本$2.5亿。

- **案例2：印尼B气田**
通过CO? reinjection技术，在天然气净化过程中同步实现CO?封存（年封存量2.7 Mt），提升气田采收率5.8%。

- **未来方向**
1. **材料创新**：开发低成本IL（如基于糖类或脂肪酸的DES）。
2. **过程集成**：结合吸附-膜分离-低温分离多技术耦合，CO?回收率提升至99.9%。
3. **政策支持**：制定混合溶剂系统标准（如再生能耗<2.5 GJ/吨CO?），推动工业落地。

#### 7. 结论
混合离子液体-胺系统通过协同化学与物理吸收机制，在CO?捕获效率（93-98%）、再生能耗（降低20-40%）和经济性（成本降低25-35%）方面显著优于传统技术。然而，规模化应用仍需解决溶剂稳定性（>10,000小时）、设备腐蚀（<0.1 mm/年）和全生命周期毒性评估（需标准化LCAs模型）。未来十年，随着材料科学（如MOF-74 IL复合材料）和过程工程（如数字孪生优化）的突破，混合溶剂系统有望在NG处理中实现规模化应用（TRL 7-8级），成为碳中和的关键技术路径。