原文链接：https://www.mdpi.com/2571-8797/7/1/18

论文标题：Modeling of CO₂ Capture by Electro-Swing Reactive Adsorption from Low-Concentration Streams

论文链接：https://doi.org/10.3390/cleantechnol7010018

期刊名：Clean Technologies

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/cleantechnol

传统碳捕集技术（如胺洗涤法）在低浓度CO₂（工业烟气1-4%、环境空气400ppm）场景下面临高能耗与材料降解问题。电化学CO₂捕获技术作为应对工业低浓度排放的创新方案，近年来在碳捕集领域展现出显著优势。相比传统胺法洗涤等温度/压力调控技术，基于醌类氧化还原活性分子的电摆动反应吸附（ESA）系统通过电压调控实现CO₂的可逆捕获与释放，具有等温操作、模块化设计和电能驱动的特点。

本研究构建了动态数值模型以模拟电摆动反应吸附（ESA）全过程，采用矩形电化学池几何结构（电极厚度150μm、气体通道250μm）为基础框架。模型耦合了多物理场方程：通过质量守恒方程描述CO₂在气体通道（1D轴向传输）和电极区（2D平面扩散）的时空分布，结合薄膜模型量化气-液界面传质过程，并基于Henry定律建立相平衡关系。反应机制层面，采用ECEC双电子转移路径模拟醌的氧化还原行为——还原态（-1.3V）结合CO₂形成羧酸盐复合物，氧化态（-0.5V）释放CO₂，其动力学通过Butler-Volmer方程与Nernst电位关联。关键参数设置包括醌初始浓度100 mol/m³、CO₂在离子液体中扩散系数4×10^-10 m²/s、以及气液分配系数β（源自Henry常数3×10⁶ Pa）。数值求解采用MATLAB ode15s求解器对空间离散化（Nx=Ny=25网格）和时间积分，并通过质量/电荷双守恒验证（误差<5%）确保模型可靠性。

图 用于电摆动反应吸附建模的矩形单元几何结构示意图，其中 y 轴上的 L 为通道长度，z 轴上的 l 为通道宽度，x 轴上的 hG 为气体通道厚度，hE 为电极厚度（电解质隔膜、阳极和集流体未显示）。

本模型揭示ESA技术在1% CO₂浓度下可实现1.6 kg/(m³·天)的生产率，总能耗为0.6 MWh/tCO₂，其中电位参数对效率具有决定性影响——施加-1.3V较-1.1V缩短15%捕集时间。然而，醌化学动力学与传输限制构成主要瓶颈：强络合醌（平衡常数K>10¹⁰）虽提升吸附容量，却显著抑制解吸动力学，导致再生阶段延迟；同时离子液体中CO₂的低扩散系数（4×10^-10 m²/s）引发显著传质阻力（Damköhler数>1），当气体流速超过10^-5 m³/s时，CO₂在电极界面的停留时间不足0.5秒，致使捕集量骤降84%。优化路径表明，采用多孔聚合物电极（孔径20-100μm）可强化CO₂传输，预测生产率可提升至80 kg/(m³·天)，而用真空再生替代吹扫气体能有效提高产物纯度。这些发现证实ESA技术适用于工业烟气与空气捕集场景，未来需重点调控醌分子电子转移动力学与络合强度的平衡关系。