碳酸钾溶液在低至高溶剂负载下CO2吸收速率实验与动力学建模研究

研究人员针对碳酸钾（K2CO3）溶液在碳捕集应用中吸收速率不足的问题，通过实验与建模揭示了溶剂负载和温度对CO2吸收动力学的调控机制，建立了离子贡献模型，为工业碳捕集工艺优化提供了理论依据。

　　

随着全球碳中和目标的推进，碳捕集与封存（CCS）技术成为应对气候变化的关键手段。其中，基于碳酸钾（K₂CO₃）的化学吸收法因其低毒性、高稳定性等优势备受关注，但其吸收速率受溶剂负载和温度的影响机制尚不明确，制约了工业应用。针对这一瓶颈，来自瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）的研究团队通过系统的实验与建模，揭示了K₂CO₃溶液在宽范围溶剂负载（0%-70%）和温度（313-358 K）下的CO₂吸收动力学规律，相关成果发表于《Separation and Purification Technology》。

研究采用恒温搅拌釜反应器，结合压力衰减法实时监测CO₂吸收过程，通过两膜理论和反应-扩散模型解析了传质与反应速率的耦合机制。重点开发了离子贡献模型，定量描述了溶剂组成对反应速率常数k₂的影响。

1. 反应机理与模型构建

研究明确了CO₂与K₂CO₃的反应路径：以OH^-催化的拟一级反应（k₁=k₂[OH^-]）为主导，建立了包含CO₃^2-/HCO₃^-缓冲体系的离子平衡方程。通过引入离子强度修正项，首次量化了K⁺对反应活性的促进作用。

2. 溶剂负载效应

实验发现：当溶剂负载θ从0%增至70%时，OH^-浓度下降两个数量级，导致表观反应速率k₁显著降低。但通过离子贡献模型校正后，本征速率常数k₂反而随θ增加而升高，揭示高负载下K⁺的电荷屏蔽效应增强了反应活性。

3. 温度依赖性

在313-358 K范围内，k₂呈现典型阿伦尼乌斯行为，活化能为47.98 kJ/mol。值得注意的是，高温（>343 K）下高负载溶剂（θ>50%）仍保持较高吸收速率，突破了传统认为"高负载必导致低速率"的认知局限。

4. 工业应用启示

研究提出的离子贡献模型成功预测了宽工况下的吸收性能，误差<15%。该模型表明：在60°C以上操作时，采用适度高负载（θ≈40%-60%）的K₂CO₃溶液，既可维持较高吸收速率，又能大幅降低再生能耗，为热集成碳捕集工艺设计提供了新思路。

这项研究首次系统阐明了K₂CO₃溶剂在工业相关工况下的反应动力学特性，建立的普适性模型为溶剂配方优化和操作参数选择提供了定量工具。特别是发现钾离子的催化作用可部分抵消高负载导致的OH^-浓度下降，这一机制对开发新型混合溶剂具有重要指导意义。未来研究可进一步探索金属离子协同效应，推动低成本高效碳捕集技术的工程化应用。