现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (1) : 59-63. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.01.011

技术进展

用于二氧化碳捕集的混合胺溶液研究进展

杨蒙 ¹ ,
房昆 ¹ ,
王珊珊 ¹ ,
陆诗建 ²^,³^,^* ,
侯婷 ²^,³ ,
杨菲 ²^,³ ,
黄志刚 ²^,³ ,
梅杰琼 ²^,³

作者信息 +

Research progress in mixed amine solutions for CO₂ capture

Meng YANG ¹ ,
Kun FANG ¹ ,
Shan-shan WANG ¹ ,
Shi-jian LU ²^,³^,^* ,
Ting HOU ²^,³ ,
Fei YANG ²^,³ ,
Zhi-gang HUANG ²^,³ ,
Jie-qiong MEI ²^,³

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摘要

综述了用于二氧化碳捕集的混合胺溶液研究进展,包括CO₂捕集技术分类,重点阐述相变体系捕集CO₂现状,如有机胺相变体系(传统与新型有机胺)、离子液体相变体系,分析各体系优缺点并阐明分相机理。相变体系可降低再生能耗但也面临一些挑战,离子液体体系有良好应用前景但存在黏度高、合成复杂和成本高问题,相变机理涉及热致相变、盐析效应、产物亲水性和氢键作用等多种因素。

Abstract

In this paper,the research progress of mixed amine solutions for CO₂ capture is reviewed,including the classification of CO₂ capture technologies.The current situation of CO₂ capture in phase change systems,such as organic amine phase change systems (traditional and new organic amines) and ionic liquid phase change systems,is highlighted.The advantages and disadvantages of each system are analyzed and the phase separation mechanism is expounded.The phase change system can reduce the renewable energy consumption,but it also faces some challenges.The ionic liquid system has a good application prospect,but there are problems such as high viscosity,complex synthesis and high cost.The phase change mechanism involves many factors such as thermal phase change,salt-out effect,product hydrophilicity and hydrogen bonding.

Graphical abstract

关键词

二氧化碳捕集 / 分相机理 / 离子液体相变体系 / 有机胺相变体系 / 混合胺溶液

Key words

carbon dioxide capture / phase separation mechanism / ionic liquid phase-change system / organic amine phase-change system / mixed amine solution

Author summay

杨蒙(1984-),男,硕士,高级工程师,研究方向为油气田地面工程和二氧化碳捕集相关工程设计,yangmeng.cpe@cnpc.com.cn。

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杨蒙,房昆,王珊珊,陆诗建,侯婷,杨菲,黄志刚,梅杰琼. 用于二氧化碳捕集的混合胺溶液研究进展[J]. , 2026, 46(1): 59-63 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.01.011

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全球工业化与化石燃料消耗导致CO₂浓度持续攀升,加剧气候变暖。IPCC数据显示,21世纪末全球气温可能较1986—2005基准期上升0.3~4.8℃;2020年全球已升温1.1℃,CO₂浓度从工业革命前280×10^-6增至417.2×10^-6,严重破坏碳循环平衡^[1]。由此引发的冰川消融、海平面上升与生物多样性丧失等生态危机,对农业、海洋生态及人类健康构成严重威胁,成为可持续发展核心挑战。

在此背景下,《巴黎协定》的签署与中国“双碳”目标的提出^[2],为低碳技术发展注入强劲动力。碳捕集、利用与封存技术(CCUS)作为实现深度减排的关键路径,不仅能够有效降低碳排放,还可将CO₂资源化,转化为高附加值化学品。在众多CCUS技术中,化学胺吸收法虽较为成熟,却面临再生能耗高、设备腐蚀与溶剂挥发等瓶颈^[3]。近年来,相变吸收剂凭借吸收后发生液-液相变的特性,在显著降低再生能耗方面展现出巨大潜力,已成为研究热点。本文中系统梳理相变吸收剂的研究进展,重点阐释其分相机理,以期为发展高效、低能耗的碳捕集技术提供理论依据与实践参考。

1 CO₂捕集技术

CO₂捕集技术主要分为燃烧前、富氧燃烧和燃烧后3种路径。燃烧前捕集通过燃料气化与水煤气变换制备高浓度CO₂;富氧燃烧采用纯氧助燃,直接获得高浓度CO₂;燃烧后捕集则从烟气中分离CO₂,是目前技术最成熟、应用最广的方式^[4]。燃烧后CO₂捕集技术主要包括化学吸收法、吸附分离法、膜分离法、低温蒸馏法及生物固碳法^[5]等。其中,化学吸收法通过醇胺类吸收剂与CO₂的可逆反应实现捕集,加热再生后可得高纯度CO₂(>99%);吸附法利用沸石等材料的吸附特性,通过变温/变压循环完成捕集与释放;膜分离法依托膜材料对不同气体的选择性渗透(分离因子α=20~50)实现气体分离;低温蒸馏采用深冷工艺(<-50℃)处理高浓度CO₂气源(>50%);生物固碳法则通过微藻光合作用同步固定CO₂并生产生物质产品。

各类燃烧后捕集技术均具有独特的工艺特征,适用于不同的应用场景。其中化学吸收捕集技术的工艺最成熟,使用醇胺溶液捕集燃烧后的CO₂是CCUS技术的首选之一,在工业中已经被广泛应用。但目前应用的工艺方法存在再生能耗高(占总能耗的60%~80%)、吸收剂腐蚀设备、溶剂易挥发等问题^[6]。因此,开发绿色、高效、低能耗的新型CO₂捕集技术已成为当前研究的重点方向(图1)。

2 相变体系捕集CO₂的现状

为克服传统有机胺吸收剂再生能耗高、吸收剂损耗大等技术瓶颈^[7],近年来研究者开发出3类创新吸收体系,即相变吸收剂、混合胺吸收剂以及新型离子液体吸收体系等。其中,相变吸收剂凭借独特的“智能分相”机制,在吸收CO₂后自发分离为富CO₂相和贫CO₂相,仅需对少量富相进行再生,从而显著降低能耗;这一特性使其成为最具潜力的新一代碳捕集技术,并推动着相关新工艺的开发与工业应用。

自2009年汉普顿大学Hu提出相变吸收剂概念以来,这一特殊吸收体系持续受到学界关注^[8]。相变吸收剂实际上是由能够相互混溶的溶剂混合调配而成的一种单一相溶剂。当吸收CO₂后,会形成新的产物,又或者在温度发生改变之后,其状态转变为互不相溶的两相,其中一相富含CO₂,而另一相则是CO₂含量比较少的贫相,借助机械手段将两相进行分离操作。溶剂再生时,仅需加热CO₂富集相,通过该方式,大幅降低再生所需要消耗的能量。除此之外,有机溶剂含量的增加,还可降低吸收体系的黏度,对CO₂的吸收起到积极的促进作用。其流程如图2所示。

3 有机胺相变体系捕集CO₂

3.1 传统有机胺

传统有机胺相变吸收体系通过混合不同胺类溶剂(如DETA/PMDETA水溶液)构建^[9]。该体系在提升CO₂吸收速率与吸收容量的同时,可发生液-液相变:富相由伯胺/仲胺与CO₂的反应产物构成,贫相主要为叔胺水溶液。通过仅对富相进行再生,该系统实现了再生能耗的显著降低。

Chen等^[10]研究结果表明,在传统有机胺相变体系中,水作为不可或缺的反应介质与质子传递载体,通过促进氨基与CO₂反应过程中的质子迁移,显著加速了吸收动力学,对提升整体捕集效率起到了关键作用。Wang等^[11]精心设计了二甲基乙酰胺/三聚氰胺氰尿酸盐(DMCA/MCA)吸收体系,在25℃条件下,该吸收体系表现出优异的CO₂吸收性能,吸收容量达0.985 mol/mol。量子化学计算表明,MCA与CO₂反应的能垒远低于DMCA与CO₂反应的能垒,使得MCA通过氨基甲酸酯路径的反应速率远高于DMCA的碳酸氢盐路径,使其具有更高的CO₂吸收效率。同时,MCA与DMCA分子间质子转移加速吸收过程。

3.2 新型有机胺

针对传统有机胺相变吸收体系存在黏度高、富相比大等问题,研究者提出将空间位阻胺(如AMP)与传统有机胺(如MEA)复配的创新策略。空间位阻效应可抑制氨基甲酸盐的生成,减少分子间氢键形成,促进水解为碳酸氢盐,从而有效降低体系黏度。比如,Liu等^[12]采用空间位阻胺2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)与乙醇胺(MEA)进行复配,在烟气条件下测试,吸收容量较MEA水溶液提升18%以上,并借助相变机制使再生能耗降低25%,展现出显著优化效果与应用潜力。

针对传统有机胺相变体系富相体积占比大、含水量高导致再生过程溶剂损失严重的问题,研究者提出引入有机溶剂进行复配优化。该策略可有效降低富相比例,减少再生环节的溶剂损失,同时显著降低体系黏度并提高吸收容量。例如,Zhu等^[13]构建的MEA/SA/H₂O相变体系富集相含98%的CO₂,再生能耗(2.55 GJ/t)较传统MEA溶液降低35.9%,证实高沸点有机溶剂可减少溶剂损失、提高吸收容量并降低能耗。Liu等^[14]发现环丁砜可作为高效分相溶剂,其新工艺使CO₂捕集能耗降低0.73 GJ/t。Yao等^[15]采用聚乙二醇二甲醚(NHD)作为分相溶剂构建DMAPA/NHD/H₂O体系,研究显示NHD可显著提升CO₂吸收率并实现良好相变行为,再生能耗较5 mol/L MEA降低42%。Zheng等^[16]发现乙醇与TETA混合可促进CO₂吸收并诱发液-固相变。

新型有机胺相变吸收体系在吸收性能、富相体积控制和再生能耗方面均显著优于传统工业吸收体系。然而,该体系仍面临吸收剂降解与高温设备腐蚀等问题,亟待进一步研究解决。

4 离子液体相变体系捕集CO₂

近年来,研究者探索以离子液体替代或复配胺类溶剂构建相变吸收体系。离子液体作为一种结构可调的绿色溶剂,具有极低蒸气压、高热/化学稳定性及可循环性等优势^[17],为开发高性能CO₂捕集体系提供了新途径。为增强对CO₂的溶解性,研究者开发了氨基功能化离子液体。该设计兼具传统胺类溶剂的高捕集能力,同时有效克服了设备腐蚀与溶剂挥发等问题^[18]。Doyle等^[19]研究表明,相同温度下[DETAH][NO₃]蒸气压远低于DETA,有望成为CO₂捕集的理想替代溶剂。Chen等^[20]报道的[DETAH]Br/PEG200相变吸收体系CO₂容量达1.184 mol/mol ILs,远超质量分数30% MEA溶液(0.23 mol/mol)。该体系基于两性离子机制,具有优良的循环稳定性与低再生能耗。吸收过程中形成的氢键网络可抑制胺质子化,而液-固相变特性使吸收产物以固体析出,显著降低设备腐蚀风险。Huang等^[21]开发的[TETAH][Lys]/EtOH/H₂O双功能化离子液体体系CO₂吸收容量达2.0 mol/mol,研究表明,再生时添加少量乙醇可使再生率从66%提升至91.3%。Zhan等^[22]构建的[DETAH][Tz]/1-丙醇/水体系富相CO₂负载量达1.713 mol/mol,证实1-丙醇的引入可同步提升再生效率并降低能耗。

综合研究表明,设计双功能化离子液体(如增加氨基数量)可显著提升CO₂吸收容量。有机溶剂的引入不仅能降低体系黏度、通过氢键作用调控相变行为,还能提高再生效率。离子液体相变体系在解决吸收剂降解与设备腐蚀问题的同时,兼具高吸收容量和低再生能耗的优势。然而,其实际应用仍受限于高黏度、复杂合成工艺及成本问题,开发低成本、低中黏度且易合成的新型功能化离子液体是未来重要研究方向。

5 相变体系分相机理

相变吸收剂在CO₂捕集过程中产生分相行为,即吸收饱和后形成稳定的CO₂富集相与贫相。相变吸收剂的相变机理研究已形成多种理论解释,其热致相变机制被广泛讨论。该机制认为,吸收体系在捕集CO₂过程中会形成具有较低临界溶液温度(LCST)特性的混合物^[23]。随着吸收产物浓度升高,体系在吸收温度或更高温度下达到相变条件,从而发生液-相分离。研究表明,相变温度与体系CO₂负载量密切相关,通过调节吸收剂组成可有效调控CO₂负载量,进而实现对相变温度的定向调控。这一规律在液-液和固-液相变体系中均得到实验验证^[24]。然而,由于CO₂捕集过程中可能生成多种结构不同的吸收产物,导致体系组分复杂多变,使得相变温度的精准预测仍面临挑战^[25]。

基于盐析效应机制,Chen等^[26]提出有机胺相变吸收体系的分相机理:在DMPAP/NHD/H₂O体系吸收CO₂过程中,生成的氨基甲酸盐浓度持续升高,导致非电解质组分NHD溶解度下降,最终引发体系发生相分离。基于盐析效应,Mercer等^[27]开发了一种离子强度可转换的水溶液体系,该体系中的胺类组分在与CO₂反应生成碳酸氢盐后,溶液离子强度显著升高[如公式(1)、(2)所示],从而诱发相变行为。

(1)$\mathrm{B}+n \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+n \mathrm{CO}_{2} \rightleftharpoons \mathrm{BH}_{n}^{n+}+n \mathrm{HCO}_{3}^{-}$

(2)$\mathrm{I}=1 / 2 m\left(n^{2}+n\right)$

Liu等^[12]研究指出,CO₂与吸收剂反应生成的氨基甲酸酯与胺类物质的亲疏水性差异是引发相分离的关键因素,产物的亲水性特征在分相机理中起着决定性作用。Tian等^[28]研究表明,吸收剂体系的宏观相分离现象由亲水-疏水相互作用平衡所控制,两者间的微妙平衡对相变过程起决定性调控作用。

Chen等^[26]在开发无水离子液体相变吸收体系时发现,吸收过程中形成的O—H…N氢键对稳定吸收产物具有重要作用。例如,[DETAH]Br/PEG200体系在室温下呈均相透明溶液,吸收CO₂后逐渐形成浑浊聚集体。该过程中,Br^-离子通过静电作用以及氢键,与阳离子进行配对,实现对RNH₃⁺离子的稳定作用,防止RNH₃⁺和RNHCOO^-的重新结合。这种稳定作用能够有效地延缓相变的发生、提高CO₂的吸收容量,显著增强体系捕集性能。

Seo等^[29]对AHA基离子液体研究时,发现该吸收体系与CO₂发生反应时,其熔点相较于未反应时明显降低。基于该特性,将这种离子液体命名为相变离子液体(PCILs)。当反应温度为T时,PCIL与CO₂的反应可以用式(3)表示,明晰反应的具体情况以及物质变化关系,为理解此类功能化离子液体的CO₂捕集机制提供了重要理论依据。上述研究进展从多角度系统揭示了相变吸收体系的构效关系与反应路径,为深入探究其性能优化机理及工程应用提供了坚实的理论基础与技术支撑。

(3)$\begin{array}{c} \operatorname{PCIL}\left(T_{m, 1}>T\right)+\mathrm{CO}_{2} \longleftrightarrow \\ \operatorname{PCIL}-\mathrm{CO}_{2}\left(T_{m, 3}<T\right) T_{m, 3}<T_{m, 1} \end{array}$

6 结论

面对全球气候变暖的严峻挑战,开发高效低耗的碳捕集技术已成为实现碳中和目标的关键路径。本文中系统研究了相变吸收剂在CO₂捕集领域的研究进展与技术特性。传统化学胺吸收法虽已工业化应用,但再生能耗高、设备腐蚀等问题制约了进一步发展。

研究表明,相变吸收技术通过吸收后形成的液-液或液-固相分离特性,实现了仅对富CO₂相进行再生,可显著降低能耗30%以上。在有机胺相变体系方面,通过引入空间位阻胺或有机溶剂,有效改善了体系黏度与富相比,提升了吸收容量,但仍需解决吸收剂降解与设备腐蚀问题。离子液体相变体系凭借结构可调、低挥发性等优势展现出巨大潜力,但其高黏度与合成成本仍是实际应用的瓶颈。在机理研究层面,热致相变、盐析效应、产物亲疏水平衡及氢键作用等多种机制共同调控着相变过程。这些认识为新型相变体系的理性设计提供了理论基础。展望未来,相变吸收剂的研究应着重于开发低成本、低黏度的功能化离子液体;提高有机胺体系的循环稳定性;深化多因素耦合的相变机理研究;推进优化体系的工业示范。通过持续的技术创新与工艺优化,相变吸收技术有望为碳中和目标的实现提供关键技术支撑。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	刘兆香, 唐艳冬, 赵敬敏, 等. 大气污染物和温室气体“两单融合”发展分析与建议——助力减污降碳协同增效[J]. 环境保护科学, 2024, 50(2):49-53,66.

[2]	贾子奕, 刘卓, 张力小, 等. 中国碳捕集、利用与封存技术发展与展望[J]. 中国环境管理, 2022, 14(6):81-87.

[3]	Liu Z X, Gao M, Zhang X M, et al. CCUS and CO₂ injection field application in abroad and China:Status and progress[J]. Geoenergy Science and Engineering, 2023, 229:212011.

[4]	Bui M, Adjiman C S, Bardow A, et al. Carbon capture and storage (CCS):The way forward[J]. Energy& Environmental Science, 2018, 11(5):1062-1176.

[5]	张艺峰, 王茹洁, 邱明英, 等. CO₂捕集技术的研究现状[J]. 应用化工, 2021, 50(4):1082-1086.

[6]	Shavalieva G, Kazepidis P, Papadopoulos A I, et al. Environmental,health and safety assessment of post-combustion CO₂ capture processes with phase-change solvents[J]. Sustainable Production and Consumption, 2021, 25:60-76.

[7]	Tran K V B, Ando R, Yamaguchi T, et al. Carbon dioxide absorption heat in liquid-liquid and solid-liquid phase-change solvents using continuous calorimetry[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020, 59:3475-3484.

[8]	金宋, 尹少武, 童莉葛, 等. 物理溶剂型相变吸收剂捕集CO₂研究进展[J]. 精细化工, 2024, 41(8):1625-1636.

[9]	Ye Q, Wang X, Lu Y. Experimental investigation and thermodynamic modeling of phase transition and Equilibria in a biphasic solvent system for CO₂ capture[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2018, 57(29):9627-9640.

[10]	Chen M, Luo Q, Lin H, et al. A study on reaction mechanism and kinetics of CO₂ and MEA/DEA-tertiary amines in non-aqueous and water-lean solutions[J]. Chemical Engineering Science, 2023, 269:1-13.

[11]	Wang R, Liu S, Li Q, et al. CO₂ capture performance and mechanism of blended amine solvents regulated by N-methylcyclohexyamine[J]. Energy, 2021, 215:119209.

[12]	Liu F, Fang M, Yi N, et al. Research on alkanolamine-based physical-chemical solutions as biphasic solvents for CO₂ capture[J]. Energy & Fuels, 2019, 33(11):11389-11398.

[13]	Zhu K, Lu H, Liu C, et al. Investigation on the phase-change absorbent system MEA+ Solvent A(SA)+H₂O used for the CO₂ capture from flue gas[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2019, 58(9):3811-3821.

[14]	Liu S, Ling H, Lv J, et al. New insights and assessment of primary alkanolamine/aulfolane biphasic solutions for post-combustion CO₂ capture:Absorption,desorption,phase separation,and technological process[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2019, 58(44):20461-20471.

[15]	Yao H, Lu H, Wu K, et al. Kinetics and thermodynamics of CO₂ absorption in aqueous 3-dimethylaminopropylamine and its blend with poly (ethylene glycol) dimethyl ether using a wetted wall column reactor[J]. Energy & Fuels, 2023, 37(12):8352-8363.

[16]	Zheng S, Tao M, Liu Q, et al. Capturing CO₂ into the precipitate of a phase-changing solvent after absorption[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(15):8905-8910.

[17]	Haghtalab A, Shojaeian A. High pressure measurement and thermodynamic modelling of the solubility of carbon dioxide in N-methyldiethanolamine and 1-butyl-3-methylimidazolium acetate mixture[J]. The Journal of Chemical Thermodynamics, 2015, 81:237-244.

[18]	Wu K, Zhou X, Wu X, et al. Understanding the corrosion behavior of carbon steel in amino-functionalized ionic liquids for CO₂ capture assisted by weight loss and electrochemical techniques[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2019, 83:216-227.

[19]	Doyle K A, Murphy L J, Paula Z A, et al. Characterization of a new ionic liquid and its use for CO₂ capture from ambient air:Studies on solutions of diethylenetriamine (DETA) and [DETAH]NO₃ in polyethylene glycol[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(36):8829-8841.

[20]	Chen Y, Hu H. Carbon dioxide capture by diethylenetriamine hydrobromide in nonaqueous systems and phase-change formation[J]. Energy & Fuels, 2017, 31(5):5363-5375.

[21]	Huang Q, Jing G, Zhou X, et al. A novel biphasic solvent of amino-functionalized ionic liquid for CO₂ capture:High efficiency and regenerability[J]. Journal of CO₂ Utilization, 2018, 25:22-30.

[22]	Zhan X, Lv B, Yang K, et al. Dual-functionalized ionic liquid biphasic solvent for carbon dioxide capture:High-efficiency and energy saving[J]. Environmental Science & Technology, 2020, 54(10):6281-6288.

[23]	张宝幸, 李海涛, 陈曦, 等. 相变吸收剂捕集CO₂技术的研究进展[J]. 能源化工, 2020, 41(5):8-11.

[24]	Tran K V B, Ando R, Yamaguchi T, et al. Carbon dioxide absorption heat in liquid-liquid and solid-liquid phase-change solvents using continuous calorimetry[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020, 59(8):3475-3484.

[25]	Papadopoulos A I, Tzirakis F, Tsivintzelis I, et al. Phase-change solvents and processes for post combustion CO₂ capture:A detailed review[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2019, 58(13):5088-5111.

[26]	Chen Z, Yuan B, Zhan G, et al. Energy-efficient biphasic solvents for industrial carbon capture:Role of physical solvents on CO₂ absorption and phase splitting[J]. Environ.Sci.Technol, 2022, 56:13305-13313.

[27]	Mercer S M, Jessop P G. “Switchable water”:Aqueous solutions of switchable ionic strength[J]. ChemSusChem, 2010, 3(4):467-470.

[28]	Tian H, Li K, Zhao R, et al. Screening and evaluation of phase change absorbents by molecular polarity index:Experimental and quantum chemical calculation studies[J]. Separation and Purification Technology, 2025, 358:130318.