论文标题：CO₂ Capture Using Amine-Based Solvents: Identification of Additives to Improve the Kinetics and Thermodynamics of CO₂ Sorption at High-Pressure Conditions

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-5628/5/1/4

期刊名： Gases

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

一、引言

当前碳中和背景下，CCUS（碳捕集、利用与封存）是落实全球温控目标不可或缺的关键技术，胺基溶剂化学吸收法是现阶段工业化最为成熟的 CO₂捕集技术，可广泛适配电厂烟气、天然气、煤化工高压气源等多种工况。在长期科研与工程实践中，我们发现主流醇胺溶剂均存在性能短板，难以兼顾各项需求：伯胺 MEA（单乙醇胺）吸收反应速率快，但再生能耗偏高，且对设备腐蚀性严重；叔胺 MDEA、TEA 吸附容量优异，动力学反应速率缓慢；多胺 DETA 理论 CO?负载潜力大，但体系达到吸附平衡耗时较长。

行业常添加哌嗪（PZ）复配改性，以此优化溶剂动力学性能。梳理现有文献能够发现，绝大多数研究均基于常压、低压烟气条件开展，面向高压工业气源的完整对照试验数据十分匮乏。高压环境会改变气液传质边界层特性，搅拌条件能否充分发挥哌嗪的催化增效作用尚无明确定论，同时高压富胺液的长期腐蚀性能数据长期缺失，制约了高压脱碳工艺的溶剂选型、设备选材与工程实际落地。

针对上述研究缺口，本团队设定 500 psia（约 3.45 MPa）高压、30℃恒温条件，搭建静态无搅拌、动态搅拌两套高压反应装置，选取 MEA、MDEA、DETA、TEA 四种醇胺，分别配制纯胺水溶液与添加 5 wt.% 哌嗪的复配体系，从动力学吸收速率、热力学平衡负载、金属长期腐蚀速率三个维度完成系统测试，以期为高压工况碳捕集溶剂的工业化应用，提供详实可靠的实验数据支撑。

图1 实验设计设置

二、实验体系与测试方案

本实验选用纯度≥98% 的四种醇胺试剂，统一配制为 40 wt.% 的水溶液，设置纯胺溶液、胺 - 哌嗪复配溶液两大实验组，以纯水作为空白对照组。实验采用两款 Parr 高压反应釜：其一为 100 mL C-276 合金静态反应器，全程无搅拌，依靠分子扩散实现气液接触，单组实验时长 20~24 h；其二为 660 mL 不锈钢搅拌反应釜，恒定搅拌转速 300 rpm，强化气液界面更新，体系约 6 h 即可达到吸附平衡。

实验过程中实时采集温度、压力参数，依托彭 - 罗宾逊状态方程精准计算体系 CO₂吸附量。性能评价标准明确：以初始吸收速率、不同吸附占比的耗时评价动力学性能，以单位摩尔胺的平衡 CO₂负载量表征热力学吸附上限；腐蚀测试采用锻铁挂片浸泡富胺液 4 个月，通过失重法计算腐蚀速率，完成多维度完整量化评估。

三、核心实验结果与机理分析

图2 在非搅拌设备中进行CO2吸附测试：(a) 压降；(b) 移除的CO₂

1. 静态无搅拌体系：哌嗪无催化增益，复配反而降低性能

在仅依靠分子扩散传质的静态环境下，哌嗪添加剂无法发挥催化加速作用。动力学方面纯 MEA 速率最优，DETA 反应最慢；热力学容量上 DETA 最高、MEA 最低。我们观测到，所有胺液在掺入哌嗪之后，平衡 CO₂负载量均出现小幅下降，证明静态工况添加哌嗪不存在正向优化效果。

2. 搅拌动态体系：传质强化激活哌嗪作用，仅提速不提升理论容量

开启 300 rpm 搅拌后，气液传质阻力大幅降低，哌嗪的增效作用完全显现。MEA+PZ 复配体系初始吸收速率为全部组别最高，DETA 加入哌嗪后到达吸附平衡的时间大幅缩短。结合数据我们判断，哌嗪的核心作用是加快反应进程、缩短平衡耗时，并不能改变胺本身固有的分子结构，无法突破溶剂自身的理论吸附上限，复配体系最终平衡负载与纯胺体系基本持平，也说明哌嗪的效果高度依赖强制搅拌的高效传质条件。

3. 腐蚀性能规律：伯胺腐蚀性最强，叔胺性质稳定，哌嗪会加剧 MEA 腐蚀

长期挂片腐蚀结果清晰体现胺结构带来的差异：伯胺 MEA 腐蚀速率最高，复配哌嗪后腐蚀程度进一步加剧；多胺 DETA 腐蚀水平居中；叔胺 TEA 腐蚀性最低。机理层面，伯胺与 CO₂反应生成高活性氨基甲酸盐，极易破坏金属表面钝化膜，而叔胺反应产物以碳酸氢盐为主，化学性质温和，对钢制设备的侵蚀能力更弱。

四、研究综合评价与工业选型建议

基于动力学、热力学、腐蚀三重指标，针对不同高压工业场景给出溶剂适配方案：

1. 追求快速捕集、短时平衡（高压小型模块化装置）：优先选用 MEA+PZ 复配溶剂，搭配高效搅拌 / 填料强化传质，吸收速率优势显著，但需配套高防腐等级不锈钢设备；

2. 追求高 CO₂负载、低再生能耗（大规模天然气净化）：单一 MDEA、DETA 为最优选择，平衡吸附容量高，溶剂循环损耗更低；若配备规整填料保证气液混合，可少量添加 PZ 缩短达到平衡时间；

3. 长周期连续运行、严控设备腐蚀成本：选用 TEA 体系，虽动力学偏弱，但金属腐蚀速率最低，适合低处理量、长运维周期场景；

4. 静态间歇高压吸收工艺（无搅拌釜式处理）：不建议添加哌嗪，复配后反而降低捕集效率，直接使用单一 MDEA 或 DETA 即可。

五、未来研究方向

本研究仅完成宏观动力学、热力学与腐蚀表观测试，尚未揭示分子尺度反应机理，后续可开展三方面深化研究：

1. 利用红外光谱（FTIR）、拉曼光谱表征胺 - CO₂反应离子络合物，解析哌嗪在搅拌 / 静态体系下的微观催化差异；

2. 引入电化学测试手段，系统探究富胺液对碳钢、不锈钢、合金的腐蚀机理，开发适配高压工况的缓蚀配方；

3. 拓展温度、压力梯度实验，建立高压宽工况下混合胺溶剂吸收预测模型，为工业塔器模拟提供基础参数。

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Ben J. Anthony来自克兰菲尔德大学

Gases（ISSN: 2673-5628）是一个国际性、跨学科的气体科学与工程领域同行评审开放获取期刊。本刊涵盖天然气、气体排放、气态污染物、（温室）气体控制及气体传感器等领域的应用科学与工程进展。

2025 CiteScore：6.5

Time to First Decision：19.6 Days

Acceptance to Publication：6.9 Days