在PT实验室测试实验装置，以收集溶剂中二氧化碳溶解度的数据

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

《Gases》：Testing the Experimental Unit at PT Lab for Collecting Data of CO2 Solubility in Solvents

【字体：大中小】 时间：2025年12月25日 来源：Gases CS5.4

编辑推荐：

　　CO?捕获溶剂开发与实验装置验证，通过30% MEA溶液的溶解度测试及热力学模型分析，确认新型实验系统可靠性，为低能耗可持续CO?吸收技术提供数据基础。

　　
二氧化碳捕获与利用技术的实验验证及溶剂性能评估

（摘要部分解读）
二氧化碳捕获、利用与封存（CCUS）作为工业减排的核心技术之一，其发展直接关系到全球气候治理目标的实现。当前主流的胺类溶剂体系虽然在工业应用中积累了丰富经验，但面临多重技术瓶颈：首先是溶剂再生能耗过高，传统MEA溶剂在100℃再生工况下需要消耗约15%系统总能量；其次是溶剂循环寿命受限，文献数据显示MEA溶液在200次循环后吸收效率下降达18%；第三是环保问题突出，2023年欧盟工业事故统计显示胺类溶剂泄漏事件同比增加27%。基于此，本研究建立了专用实验平台，重点突破传统溶剂体系在热力学相平衡数据获取方面的技术瓶颈。通过构建包含高精度压力传感器（0-60bar量程，精度±0.2%）和温度联控系统（±0.5℃控制精度），成功实现了二氧化碳在水基胺溶液中的溶解度动态监测。特别设计的双腔体实验装置（D1/D2分离系统）有效解决了气液传质过程中的浓度梯度干扰问题，在保持±0.5%质量测量精度的前提下，将实验重复性误差控制在3%以内。

（引言部分深度解析）
欧洲气候监测报告（2024年度）揭示出显著的地域气候差异：西北部遭遇极端湿热天气（2024年降雨量较均值偏多34%），而东南部干旱指数突破历史极值（连续12个月低于800mm）。这种气候格局的剧变对工业设施提出严峻挑战，某化工园区2023年因设备腐蚀导致的非计划停机时间达87小时，直接经济损失超500万欧元。在此背景下，CCUS技术被欧盟纳入五年重点研发计划，目标到2030年实现工业领域CO?捕获率提升40%。

传统胺类溶剂体系虽已商业化应用，但实际运行数据表明其经济性持续恶化。以MEA为例，某钢铁厂实测数据显示：在100次循环后，溶剂再生能耗占比从初始的28%攀升至41%，且每循环周期腐蚀速率增加0.15mm/a。环境方面，胺类溶剂及其降解产物（如NH3、NCl2等）在2022年全球工业废弃物中占比达1.7%，处理成本超过原料价值的120%。新型溶剂体系研究近三年增长达210%，其中 sterically hindered amines（立体受阻胺）因兼具低再生能耗（<5kWh/tCO?）和高抗降解性（循环寿命>500次）成为研究热点。

（实验方法详述）
研究团队在米兰理工大学建立的专业实验室（PT lab）内，开发了具有自主知识产权的气液平衡测试系统。该装置采用模块化设计，包含高压（0-50bar）和低压（0-7bar）两个实验单元，通过磁力搅拌（转速200±5rpm）和氮气惰性保护（纯度99.999%）确保实验稳定性。核心设备包括：
1. 多级真空泵（极限压力5×10?3bar）
2. 高精度电子秤（精度0.001g，量程520g）
3. 三维温度场控制系统（±0.5℃精度）
4. 多点压力传感器阵列（采样频率10Hz）

实验流程经过严格优化：首先进行氮气吹扫（3×10?3bar残留时间>60min），然后以0.5bar/s速率加压CO?至目标压力。关键控制点包括：
- 溶剂装载量误差控制在±0.5%
- 气液接触时间>120min（满足D'Alembert稳态条件）
- 压力释放速率<0.1bar/min
- 溶剂循环使用次数>50次

（实验结果深度分析）
在40℃吸收工况下，实验测得30wt% MEA溶液的CO?溶解度（以kg CO?/kg MEA计）为1.82±0.03，与Jou等（2021）采用GC法测得1.76的数值相比，相对误差仅2.3%。特别值得注意的是，在>150kPa压力区间，本实验数据与文献值偏差扩大至8.7%，这可能与高压下胺分子的氢键网络重构有关，该发现已通过分子动力学模拟得到初步验证。

再生阶段（100℃）的对比分析更具启示性：传统PR模型预测的再生压力为423kPa，而实测数据（表3）显示在相同负载（1.5kg CO?/kg MEA）下，实际再生压力为398±5kPa。这种偏差（约6.5%）可能源于胺溶液的非理想行为，特别是在高负载条件下离子对的形成效应。通过引入活度系数修正项，模型预测误差可降低至2.1%。

（技术突破与行业应用）
本研究的创新性体现在：
1. 首次建立完整的胺溶液相平衡数据库（涵盖5-50bar，20-120℃）
2. 开发基于机器学习的活度系数预测模型（R2=0.993）
3. 提出分级再生策略：低压区（<10bar）采用等温脱附，高压区（10-50bar）实施变温再生（ΔT=15℃/h）

经济性评估显示，该技术可使MEA溶剂的循环次数从传统工业的120次提升至200次以上，按欧洲碳定价85€/tCO?计算，单吨溶剂年可产生经济效益约3200€。更值得关注的是，系统设计已通过CE认证，可拓展应用于：
- 燃煤电厂烟气处理（吨级试验装置）
- 石油化工精馏塔改造（能耗降低18-22%）
- 燃料电池尾气处理（副产物纯度达99.95%）

（环境效益与政策建议）
生命周期评估（LCA）显示，每处理1吨CO?可减少：
- 水耗：0.38m3（较传统工艺降低27%）
- 能耗：2.1GWh（对应碳排放1.2吨）
- 溶剂损失：0.15kg/tCO?（较工业平均低42%）

基于此，建议欧盟在"Horizon 2030"计划中：
1. 设立专项基金支持胺类溶剂替代技术研发（预算建议：2.5亿€）
2. 建立跨国界工业试运行网络（覆盖德国、荷兰、英国等6国）
3. 制定胺溶液循环使用标准（建议循环次数≥200次）

当前研究已进入第二阶段，重点开发基于离子液体-氨基酸复合体系的第三代溶剂，该体系在40℃下CO?吸收容量达2.1kg/kg，再生能耗仅为传统胺的37%。相关技术细节已提交至《Energy & Environmental Science》特刊，预计2025年可实现商业化中试。

（技术局限性与发展方向）
实验数据表明，当CO?分压超过200kPa时，传统NRTL模型预测误差达12-15%，这主要源于高压下胺分子的自缔合效应。解决方案包括：
1. 开发基于机器学习的非平衡态相平衡模型（误差<5%）
2. 研究纳米限域效应（纳米管负载胺溶液，吸容提升至2.8kg/kg）
3. 优化热力学模型（引入氢键参数修正项）

行业应用需重点关注：
- 设备腐蚀防护（建议采用316L不锈钢+1.5%CrN涂层）
- 溶剂再生余热利用（热回收效率可达65%）
- 废弃溶剂处理（生物降解率>90%）

本技术路线已纳入欧盟"ReFuel"计划路线图，预计到2030年可形成完整的胺基CCUS技术包，覆盖吸收效率（>85%）、能耗（<1.5kWh/tCO?）、溶剂寿命（>5年）三大核心指标。

热点排行

新闻专题

联系信箱：

粤ICP备09063491号