现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 85-89. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.016

技术进展

适用于烟气CO₂捕集的微波再生强化技术

陈阿小 ¹ ,
郑宝旭 ¹ ,
赵伟明 ¹ ,
张铁刚 ¹ ,
赵欣雷 ¹ ,
刘航 ²^,³ ,
陆诗建 ²^,³^,^*

作者信息 +

Microwave regeneration enhancement technology suitable for CO₂ capture from flue gas

A-xiao CHEN ¹ ,
Bao-xu ZHENG ¹ ,
Wei-ming ZHAO ¹ ,
Tie-gang Zhang ¹ ,
Xin-lei ZHAO ¹ ,
Hang LIU ²^,³ ,
Shi-jian LU ²^,³^,^*

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摘要

综述了微波辐射在促进CO₂吸收剂性能提升方面的最新研究进展,探讨其作用机理、优势、挑战及未来发展方向,为开发高效、经济的CO₂减排技术提供理论依据和实践指导。

Abstract

This paper reviews the latest research progress on using microwave radiation to enhance the performance of CO₂ absorbents,exploring its action mechanism,advantages,challenges,and future development directions,thereby providing theoretical foundations and practical guidance for the development of efficient and economical CO₂ emission reduction technologies.

Graphical abstract

关键词

CO₂捕集 / 解吸 / 吸收 / 微波再生 / 微波加热

Key words

CO₂ capture / desorption / absorption / microwave regeneration / microwave heating

Author summay

陈阿小(1977-),男,学士,高级工程师,主要从事CCUS与煤炭发电技术研究,chenaxiao@crpower.com.cn。

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陈阿小,郑宝旭,赵伟明,张铁刚,赵欣雷,刘航,陆诗建. 适用于烟气CO₂捕集的微波再生强化技术[J]. , 2025, 45(8): 85-89 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.016

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随着人类社会现代化进程的加快,CO₂的过度排放引起的“温室效应”已成为全球性环境问题,引起了国际国内社会的广泛关注,其势必成为严重阻碍我国经济可持续发展的主要瓶颈之一^[1-2]。中国将采取更加有力的政策和措施,使得CO₂排放力争于2030年前达到峰值,努力做到2060年前实现碳中和^[3]。基于我国能源结构,控制CO₂排放是实现“双碳”目标的主要途径。

以CO₂捕集、利用与封存(CCUS)为代表的节能减排技术是多个行业实现零碳甚至负碳排放的托底技术,对化石能源大规模低碳利用具有决定性的意义^[4]。燃烧后CO₂捕集(PCC)是CCUS技术的重要组成部分,PCC主要包括化学吸收法、吸附法、膜分离法、生物法等。目前,对于电厂燃煤烟气等排放流量大、CO₂分压低的特性,其中化学吸收法仍是最成熟有效的捕集手段^[5]。化学吸收法具有工艺流程简单、反应速率快以及吸收容量大等诸多优点,但CO₂再生所需的高能耗(3.8 GJ/t)占到了总操作成本的70%~80%^[6],这限制了化学吸收法的经济优势。因此,如何降低解吸能耗、提高解吸效率是目前化学吸收碳捕集技术亟待解决的问题。

降低CO₂解吸能耗主要研究工作在于开发优良的化学吸收剂和节能工艺及其耦合技术,如采用外场技术(如微波加热)强化CO₂解吸过程。微波是一种电磁波,频率范围在300 MHz~300 GHz之间,能够穿透物质并被其中的极性分子吸收,引起分子振动而产生热量。这种“由内而外”的加热方式使得微波能在短时间内快速加热物质内部,实现高效的能量传递。该过程利用微波对强吸波物质的选择性加热以提高解吸反应速率,在提升吸收剂再生效率的同时减少对溶液主体的无效能量输入^[7]。因此,通过开发具有微波响应的新型CO₂吸收剂材料,耦合微波外场强化技术有望大幅降低CO₂解吸能耗,对于CO₂捕集技术的发展具有重要意义。

1 微波强化CO₂捕集技术原理

1.1 微波加热机制

微波加热的加热原理是基于分子和物质的电磁辐射相互作用。当微波辐射通过物质时,它会与物质中的分子发生相互作用^[8]。微波的电磁场会导致分子中带电粒子(如电子或离子)的振动和旋转,这种运动会引起分子内部的摩擦和碰撞,进而产生热能。

目前研究表明,微波加热主要通过3种机制发生的,即偶极极化、离子传导以及界面极化^[9]。偶极极化是在水等极性分子中产生热量。为了实现热效应,微波的频率被调整到在交变电场中,旋转偶极子和定向磁场之间的相位差会引起分子摩擦和碰撞,从而产生介电加热^[10-11],具体原理如图1所示^[12]。在离子传导机制中,溶液中溶解的带电粒子(离子)在微波的影响下来回振荡,从而产生电流。由于带电物质与相邻分子或原子的碰撞,这种电流面临内阻,从而导致材料升温^[13]。与偶极极化相比,传导原理对发热能力的影响要强得多。界面极化机制是传导极化和偶极极化的组合,其主要针对于散布在非导电介质中的导电材料(如金属颗粒在硫中的分散)的加热。

从理论上讲,微波加热是基于具有偶极矩的分子吸收微波能量并将其有效转化为热量的能力。基本上涉及2个常数:介电常数(ε'),是物质储存微波能量能力的量度;介电损耗因数(ε″),是物质将存储的电磁能转化为热量能力的量度^[14]。这些常数是微波频率、温度和溶液组成的函数(通过分子相互作用的变化)^[15]。由于微波加热是通过与电磁辐射的直接分子相互作用发生的,因此主要优点是瞬时和体积加热,而没有与传统传导或对流加热模式相关的传热限制和热损失。在微波加热过程中,极性分子对微波的吸收最为显著。当微波电场通过极性分子时,它们会受到电场的作用而产生振动。这种振动会导致分子之间的相互作用和摩擦,使分子内部的能量转化为热能,从而加热物质。

微波加热技术作为一种新的加热方式,凭借独特的优势,目前在冶金和矿物加工、有机合成、萃取和吸附剂再生等领域得到广泛应用。与微波加热不同,传统的热传导加热是通过物质内部分子之间的碰撞和传递热能。微波加热是直接通过电磁辐射与物质相互作用,从而引起分子内部的能量转化和热能的产生。因此,微波加热可以更快地加热物质,且加热效率较高。

1.2 微波与CO₂吸收剂的相互作用

微波与CO₂吸收剂的相互作用是碳捕获和节能减排领域的一个非常重要的话题。捕获CO₂的主要方法之一是通过胺法,这是一种吸收和解吸的循环过程。微波加热已被确定为燃烧后碳捕获过程中促进CO₂解吸的一种有效方法^[16]。水和二氧化碳等材料对微波的吸收受分子结构和旋转转变的影响。其中碳材料已被证明具有优异的微波吸收性能,可用于各种领域^[17]。

微波与反应系统的直接相互作用已被证明可以增强各种物理和化学CO₂吸收剂的吸收增量,表明微波技术在CO₂捕获和再生过程中具有潜力。在CO₂吸收过程中,微波能直接作用于吸收剂,加速其表面或内部的物理或化学反应,提高CO₂与吸收剂之间的质量传递效率,从而增强吸收效果。此外,微波还能活化吸收剂的活性位点,促进CO₂的吸附和转化。

2 微波强化再生技术在烟气CO₂捕集中的应用

在化学吸收法的烟气CO₂捕集中,微波加热可以加速CO₂与吸收液(如醇胺溶液)的化学反应,提高CO₂的吸收率。同时,微波还可以用于吸收后富液的快速解吸再生,实现连续循环操作。

2.1 微波强化传统有机胺吸收剂

基于有机胺溶剂的燃烧后碳捕集是最普遍的碳捕集技术,其中质量分数30%的单乙醇胺(MEA)是用于高能耗碳捕集的基准溶剂。微波(MW)辅助富液吸收剂再生是CO₂汽提的新兴技术之一,能耗更低。

Bougie等^[16]在鼓泡反应器中进行了质量分数30% MEA水溶液的微波再生实验,对比分析了传统水浴与微波加热再生效率,并进行了多次微波再生循环验证其稳定性,证明了用微波加热再生MEA水溶液的可行性。Mcgurk等^[18]在鼓泡反应器中进行了质量分数30% MEA水溶液的微波再生实验,表明微波加热技术在再生CO₂饱和MEA水溶液方面展现出高效性,其加热速率随体系中MEA和CO₂的增加而显著提升,饱和MEA溶液的加热速度甚至是纯水的5倍,这与体系的介电特性和热容特征紧密相关。微波能在低温(70~90℃)下实现CO₂饱和MEA溶液的快速再生,相比传统加热方式,相同时间内再生的CO₂容量提高超过1倍。微波作用还显示出独特的非热效应,可能通过影响Arrhenius指前因子来促进反应,无需高温即可有效进行。Bougie等^[19]探讨了不同浓度MEA水溶液的微波加热再生效能。通过调整MEA浓度、再生温度(最优发现为90℃)及初始微波功率(至少100 W),系统评估了其对CO₂吸收与再生效率的影响。研究揭示,微波加热速率受热容、黏度及CO₂吸收量支配,其中质量分数50% MEA溶液展现出最快加热速度及最佳的CO₂解吸量与能耗比,相较于质量分数30% MEA,循环CO₂容量增进了13%,能耗降低15%。这表明质量分数50% MEA溶液在CO₂捕获与再生循环中具有显著优势,优化了能效与吸收性能。因此,微波加热策略因能在较低温度下操作,有效减少了再生过程的能耗和成本,为CO₂捕获和再生技术提供了更为经济和节能的途径。

2.2 微波强化新型非水型CO₂吸收剂

非水有机胺吸收剂在降低碳捕集能耗方面具有巨大的捕获潜力,当使用高浓度多胺时,它们的吸收/解吸行为仍然知之甚少。另一方面,大规模的二氧化碳捕获需要使用非水或少水吸收剂,在外加微波场的作用下,利用其独特的分子结构与介电特性,实现CO₂的快速吸附与选择性释放。微波能量穿透吸收剂层,直接激发分子内或分子间的相互作用,促使CO₂从吸收剂中高效解吸,无需传统高温热源,大大降低了能量消耗并加快了循环再生速度。

Li等^[20]研究了高浓度三乙烯四胺(TETA)在聚乙二醇200(PEG200)、二甘醇(DEG)和乙二醇(EG)3种典型有机溶剂中的吸收和微波再生行为。结果表明,微波再生优于传统的传导加热,特别是当使用高浓度TETA/PEG200吸收剂,在浓度为0.6、2.0、5.0 mol/L的吸收剂微波再生能耗与传统的传导加热相比分别降低了65.9%、81.2%、86.0%。Zhang等^[21]在有机胺非水体系的液固相变吸收研究中,实现了利用微波加热技术有效解吸三乙烯四胺(DETA)氨基甲酸盐,从而回收得到纯净的有机胺DETA。此过程中,吸收剂表现出卓越的循环稳定性,证实了微波加热可应用于相变吸收剂解吸的可行性。

2.3 微波强化离子液体型CO₂吸收剂

微波具有加热速度快、选择性加热等特点,目前国内外已有相关离子液体捕集CO₂和微波加热在碳捕集领域的相关研究,其中包括微波加热促进CO₂吸附剂的合成、微波促进CO₂的再生等领域。离子液体具有酸碱极性可调、阴阳离子协同、氢键-静电-离子簇耦合、结构可设计、无气化热、比热容低等特点,在CO₂捕集分离方面展现出很好的应用潜力^[22]。Lee等^[23]开发了一种1-乙基-3-甲基咪唑鎓2-氰基吡咯内酯([EMIM][2-CNpyr])离子液体用于直接从空气中捕获CO₂,为防止常规加热长时间暴露于高温环境中,使用微波加热技术(MW)来实现CO₂解吸和离子液体的再生^[18]。研究结果表明,在50~100℃下暴露于MW总共6 h后,吸收剂性能依然稳定,没有发现可测量的降解产物,表明MW再生是一种有效替代方案。Zhang等^[24]进行了浓度为质量分数30%的MEA-水吸收剂的微波再生实验。结果表明,富CO₂吸收剂在微波中的加热速度提升5倍,并且将CO₂再生温度降低至70~90℃,再生效率相比传导加热提高了1倍以上。因此,以功能化离子液体作为吸收剂体系,基于离子液体吸收剂分子对微波响应的关联关系,对吸收剂分子结构进行设计并评估吸收、解吸性能,可开发高性能微波响应型CO₂离子液体吸收剂。

目前对于吸附剂微波再生的研究主要关注于该技术的再生性能和经济性,而对微波适用性吸附材料的研发较少,主要集中在活性炭吸附材料上。同时,微波脱附机理尚不明确、模型缺乏,也在一定程度上限制了微波再生吸附剂的发展。

3 总结与展望

3.1 能耗与效率平衡

在探索碳捕获与利用技术(CCUS)的过程中,微波加热法作为一种创新的CO₂解吸手段,展现出了独特的潜力与挑战^[25]。该方法通过利用微波辐射直接作用于吸附材料,实现CO₂的高效释放,相较于传统的热解吸技术,微波加热能够在分子水平上快速加热,减少热传递过程中的能量损耗,从而在理论上达到更高的能源效率。

然而,实现微波加热CO₂解吸过程中的能耗与效率平衡,是一个复杂而精细的优化问题。这涉及到对微波频率、功率密度、加热时间以及吸附材料特性的精确控制^[26]。高频率微波能更有效地穿透多孔吸附介质,直接作用于CO₂分子,加速其从吸附剂上的物理或化学解吸过程,但同时也可能增加不必要的能耗。因此,选择最适配的微波参数,以最小的能耗实现最大的CO₂解吸率,是研究的核心。

此外,微波响应性能较好的新型CO₂吸收体系开发也是决定能耗效率的关键因素。具有高微波吸收性能和良好CO₂吸附/解吸能力的新型吸附材料的研发,可以显著提升整个系统的能效比。例如,通过引入微波响应性强的纳米粒子或构建特殊结构的吸附剂,可增强微波场中的局部加热效应,促进CO₂的快速释放,同时减少能量消耗。

3.2 吸收剂稳定性与再生

微波加热技术在促进CO₂吸收剂的再生过程中,不仅展示了高效解吸的能力,还对吸收剂的长期稳定性和循环使用性能提出了新的挑战与机遇。传统热再生方法往往在高温下进行,可能引起吸收剂结构的破坏或性能衰退^[27],而微波加热则以独特的非接触式加热机制,为吸收剂的温和且高效再生提供了可能。特别是对于那些热敏感的先进吸收材料,如有机框架材料、离子液体材料等,微波加热提供了一种更为温和的再生策略,有利于保持结构完整性和CO₂吸附能力,延长使用寿命。

然而,微波加热下的吸收剂稳定性与再生效率,还高度依赖于吸收剂本身的微波吸收特性及其微观结构。优化吸收剂的组成和设计,如引入微波吸收基团或调整颗粒尺寸,可以进一步提升在微波场中的响应性,加速CO₂的解吸速率,同时确保吸收剂在多次再生循环后仍能保持较高的活性和选择性。

因此,开发具有高稳定性和高再生性的新型CO₂吸收剂体系,结合微波辅助的快速再生技术,是保障该技术可持续应用的关键。

3.3 前景展望

微波加热技术与CO₂捕集的结合是一种新兴的科研方向,旨在利用微波的独特加热特性来增强CO₂的捕获效率和速率,特别是在工业排放和烟气处理领域。微波加热技术基于非接触式的电磁波能量传递,能够穿透物质并对含有极性分子的物质进行选择性加热,这使得在处理含有CO₂的混合气体时,能够迅速且均匀地加热吸收剂或催化剂,加速CO₂的吸收和转化过程。与传统的热源加热相比,微波加热可以更高效地传递能量,减少热损失,从而提高整体的能量效率和捕集速率。微波加热技术基于非接触式的电磁波能量传递,能够穿透物质并对含有极性分子的物质进行选择性加热,这使得它在处理含有CO₂的混合气体时,能够迅速且均匀地加热吸收剂或催化剂,加速CO₂的吸收和转化过程。与传统的热源加热相比,微波加热可以更高效地传递能量,减少热损失,从而提高整体的能量效率和捕集速率。

综上所述,微波加热技术为CO₂捕集提供了一种创新的方法,不仅能够提升捕集效率,还能降低能耗,是未来碳捕捉和封存技术(CCUS)发展的一个重要方向。有机胺在吸收CO₂后会生成极性产物,微波加热具有对极性物质选择性加热的特点,被认为是一种有潜力的新型再生技术,然而这方面的相关基础研究目前比较缺乏。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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