氨基酸催化哌嗪溶剂中溶解氧耗竭的机制及其对CO2捕集技术的影响

针对CO2捕集过程中胺溶剂氧化降解问题，研究人员探究了Fe3+与氨基酸对哌嗪（PZ）溶解氧（DO）消耗的催化机制。发现Fe3+浓度存在反应阶数转折点（0.05 mM），且氨基酸通过增强Fe3+单体的有效性显著提升DO消耗速率（如EDTA使速率常数从0.53 h?1增至6.5 h?1），为工业溶剂稳定性优化提供理论依据。

　　

随着全球对碳中和目标的迫切需求，燃煤电厂和工业设施的CO₂捕集技术成为研究热点。胺法洗涤（amine scrubbing）因其成熟性被广泛应用，但溶剂氧化降解导致的效率下降、设备腐蚀及有害副产物（如NH₃和醛类）排放问题长期困扰业界。其中，哌嗪（PZ）作为第二代胺溶剂虽比单乙醇胺（MEA）更具抗氧化性，但在实际运行中仍面临溶解氧（DO）与金属离子协同催化的降解难题。美国德克萨斯大学奥斯汀分校的James I. Obute和Gary T. Rochelle团队在《International Journal of Greenhouse Gas Control》发表研究，揭示了氨基酸降解产物如何通过调控Fe³⁺的形态与活性，显著加速PZ溶剂的DO消耗过程。

研究采用氧耗竭批量反应器（ODBR）实时监测5 mol/L PZ溶液中DO的动态变化，结合不同浓度Fe³⁺（0.025–1 mM）和氨基酸（如EDTA、NTA等）的添加实验，通过动力学模型分析反应阶数变化，并利用pH缓冲体系（pH 9–10）模拟工业吸收塔条件。

结果与讨论

1. Fe³⁺的催化特性：Fe³⁺对DO消耗呈半级反应动力学（反应阶数0.5），但在>0.05 mM时阶数骤降至0.13，表明高浓度Fe³⁺因形成无活性簇（如μ-氧二聚体）而失活。
2. 氨基酸的双重作用：EDTA与0.05 mM Fe³⁺协同使速率常数提升12倍（6.5 h^?1），证实氨基酸通过络合抑制Fe³⁺聚集，增加活性单体浓度；但低Fe³⁺（0.025 mM）时，NTA等强络合剂反而因过度螯合降低催化效率。
3. 降解产物的工业影响：中试厂降解溶剂中天然存在的氨基酸（如AEG、PZAA）通过络合腐蚀产生的Fe³⁺，持续加速氧化，而热再生（thermal reclaiming）可清除这些产物，使NH₃生成量降低20倍。

结论与意义
该研究首次阐明氨基酸-PZ降解产物通过“金属离子载体”机制放大Fe³⁺的催化效应，突破传统认知中络合剂仅抑制氧化的观点。工业上可通过监测关键氨基酸（如EDTA>PZAAPZ+>NTA）浓度阈值，优化溶剂再生周期或开发抗络合添加剂。此外，Fe³⁺临界浓度（0.05 mM）的发现为控制设备腐蚀产物积累提供量化标准，对延长CO₂捕集系统寿命具有重要实践价值。