陸小華，陳義峰，董依慧，吉曉燕，謝文龍，吳楠樺，安蓉，戴中洋，李崢

（1 南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京211816； 2 呂勒奧工業(yè)大學(xué)能源工程系，瑞典呂勒奧97187；3南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，格萊特納米科學(xué)研究所，江蘇南京210094）

引 言

能源枯竭和環(huán)境污染是困擾當(dāng)今世界的兩大問(wèn)題。國(guó)際能源署(IEA)發(fā)布的《全球能源與CO2現(xiàn)狀》報(bào)告中指出[1]，2018 年全球能源消耗總量相對(duì)2010 年增長(zhǎng)接近一倍，其中，化石能源占主導(dǎo)地位[2]?；茉吹倪^(guò)度使用導(dǎo)致的最大問(wèn)題是溫室氣體，尤其是CO2的過(guò)量排放。當(dāng)前，大氣中CO2濃度已達(dá)到0.0182 mol·m-3，相對(duì)工業(yè)革命前的0.0125 mol·m-3有大幅度提高[3]?？稍偕茉匆舱诒婚_(kāi)發(fā)利用，例如生物甲烷，CO2是生物甲烷中的重要組成，需要被進(jìn)一步脫除[4-5]。因此，高效的捕集和分離CO2是解決環(huán)境危機(jī)和發(fā)展可再生能源的當(dāng)務(wù)之急。目前為止，眾多分離CO2的商業(yè)化技術(shù)已被成功的開(kāi)發(fā)[6-8]，針對(duì)不同氣體來(lái)源，CO2分離方法不同。例如，煙道氣中CO2含量較低(3.5%～15%(體積))，有機(jī)胺法是最常用的分離技術(shù)[9-10]；生物甲烷中CO2含量較高(35%～50%(體積))，高壓水洗和膜分離技術(shù)較適合[11-12]。然而，盡管諸多商業(yè)化技術(shù)用于CO2分離，但過(guò)程的效率一直存在著問(wèn)題[13]。以有機(jī)胺法分離電廠排放的CO2為例[14]，理論上CO2分離的能量需求占電廠總產(chǎn)能的比例應(yīng)為12%，但是，CO2實(shí)際分離過(guò)程的能量需求始終為20%～30%，因此，如何有效強(qiáng)化CO2分離過(guò)程是目前的研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)CO2分離過(guò)程的強(qiáng)化方法主要通過(guò)提高溫度差、壓力差和濃度差等[15]，其本質(zhì)是通過(guò)增大CO2在相界面上的化學(xué)位差，以提高過(guò)程的傳遞速率。然而，根據(jù)熱力學(xué)原理，過(guò)程的化學(xué)位差越大，系統(tǒng)偏離可逆狀態(tài)越遠(yuǎn)，此時(shí)系統(tǒng)的效率比較低(能耗較高)[16]。華東理工大學(xué)胡英院士指出：非平衡熱力學(xué)是解決過(guò)程速率和效率博弈的唯一有效手段[17]。陸小華等[18-20]根據(jù)非平衡熱力學(xué)原理推導(dǎo)并歸納出，CO2在界面處的傳遞通量(J)主要取決于兩個(gè)因素：化學(xué)位差(Δμ)和傳遞阻力(1/K)，如圖1 所示。其中，化學(xué)位差主要受操作條件(μ)和平衡態(tài)化學(xué)位(μ0)的影響，而傳遞阻力受擴(kuò)散(1/kd)與反應(yīng)(1/ks)雙重因素制約。因此，有效調(diào)控CO2的平衡化學(xué)位和過(guò)程傳遞阻力是有別于傳統(tǒng)過(guò)程強(qiáng)化的新思路。

對(duì)宏觀流體(吸收劑)而言，當(dāng)體系和操作條件確定后，CO2在宏觀流體中平衡態(tài)化學(xué)位基本確定[21]，很難通過(guò)調(diào)控CO2在宏觀流體中的平衡態(tài)化學(xué)位來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的強(qiáng)化。新型化工過(guò)程由于固體材料的引入帶來(lái)一系列納微界面和微結(jié)構(gòu)，這使得系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化[22-23]，納微界面對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)性質(zhì)的貢獻(xiàn)甚至超過(guò)主體相，例如，Zhang等[24]發(fā)現(xiàn)SiO2孔道(寬度3.0～12.0 nm)中離子液體[Bmim][BF4]的CO2吸收量提高1.5 倍，這主要是由于納微界面的引入可改變CO2在吸收劑中的熱力學(xué)極限，從而為CO2分離過(guò)程的化學(xué)位推動(dòng)力調(diào)控提供了新方向。然而，納微界面引入后，傳統(tǒng)用以描述各向同性的宏觀流體物性的分子熱力學(xué)模型不再適用，描述流體在界面處的化學(xué)位還得考慮納微界面的相互作用影響[25-26]。因此，定量化調(diào)控CO2傳遞過(guò)程的推動(dòng)力，需要引入基于流體-納微界面相互作用的分子熱力學(xué)模型以準(zhǔn)確描述CO2在界面處的熱力學(xué)極限。

納微界面引入后，流體在界面處傳遞行為也同樣發(fā)生變化，甚至成為影響整個(gè)傳遞過(guò)程的關(guān)鍵性因素[27-29]。例如，受限碳納米管內(nèi)，水分子氫鍵會(huì)發(fā)生變化，從而以單分子鏈的水分子形式在碳納米管內(nèi)高速傳遞[30]。因此，準(zhǔn)確描述界面處CO2傳遞行為是實(shí)現(xiàn)過(guò)程強(qiáng)化的先決條件，然而，當(dāng)前對(duì)納微界面處CO2的傳遞行為仍缺乏深度的認(rèn)識(shí)[28,31]?；谶B續(xù)介質(zhì)的假設(shè)所建立的經(jīng)典傳遞理論是傳統(tǒng)化工分離過(guò)程的基礎(chǔ)，例如雙膜理論、滲透理論、表面更新理論等[32-34]。然而，上述經(jīng)典理論絕大多數(shù)都是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)性的，常用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，不具備預(yù)測(cè)功能。以Lonsdale[35]提出的溶解-擴(kuò)散模型為例，雖然較好地用于描述均質(zhì)膜中的擴(kuò)散行為，但并未考慮膜材料和結(jié)構(gòu)的影響。因此，亟須建立新的傳遞模型用于描述CO2在納微界面處的傳遞行為，實(shí)現(xiàn)化學(xué)位推動(dòng)力、傳遞阻力與CO2傳遞通量的定量化調(diào)控。

圖1 CO2分離過(guò)程的強(qiáng)化思路Fig.1 Idea of CO2 separation process enhancement

目前，已有大量實(shí)驗(yàn)和模型工作用于研究納微界面引入后的流體行為，對(duì)于其背后的微觀機(jī)制的研究也是目前研究的熱點(diǎn)。此外，分子模擬作為一種先進(jìn)的研究方法，被廣泛地用于從分子層面描述流體在簡(jiǎn)單固體表面的行為及微觀機(jī)制，目前已被拓展到解釋復(fù)雜流體在納微界面處的反常傳遞行為[36-39]。如何從分子層面認(rèn)識(shí)界面強(qiáng)化的機(jī)理是CO2在界面處的熱力學(xué)極限及傳遞行為模型建立和確定調(diào)控機(jī)制的基礎(chǔ)。

作者經(jīng)過(guò)多年針對(duì)傳遞模型、分子熱力學(xué)、分子模擬及實(shí)驗(yàn)過(guò)程強(qiáng)化研究，建立了納微界面處CO2的傳遞模型并將描述CO2平衡化學(xué)位的分子熱力學(xué)模型從體相擴(kuò)展到納微界面，同時(shí)，通過(guò)納微界面處CO2的傳遞模型指導(dǎo)真實(shí)吸收塔中CO2的吸收強(qiáng)化。本文將圍繞納微界面處CO2傳遞模型的建立與阻力調(diào)控、CO2在納微界面處的熱力學(xué)極限模型化及推動(dòng)力調(diào)控、納微界面增強(qiáng)機(jī)制的分子模擬分析以及吸收塔中CO2分離強(qiáng)化的剖析與指導(dǎo)等部分進(jìn)行闡述，期望通過(guò)納微界面強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)CO2分離過(guò)程通量的大幅增強(qiáng)。

1 納微界面處CO2傳遞模型建立及阻力調(diào)控

基于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)建立的經(jīng)典傳遞理論均是假定相界面的平衡，即“平衡+動(dòng)力學(xué)過(guò)程”，無(wú)法描述真實(shí)的傳質(zhì)過(guò)程[40]，同時(shí)，經(jīng)典傳遞模型及其修正形式往往比較復(fù)雜，含有一個(gè)或多個(gè)參數(shù)難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)量[41-42]。此外，納微界面的引入導(dǎo)致CO2在界面處的傳遞行為會(huì)發(fā)生明顯變化，而傳統(tǒng)傳遞模型均無(wú)法定量化描述其帶來(lái)的界面效應(yīng)。

為了克服經(jīng)典傳遞模型描述流體在納微界面處傳遞行為的局限，Ji 等[20,43]和Xie 等[44]開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，基于統(tǒng)計(jì)速率理論和非平衡熱力學(xué)方法，將相界面處的傳遞問(wèn)題假設(shè)成為同一相中兩個(gè)串聯(lián)過(guò)程，即表面“擬反應(yīng)”和擴(kuò)散層，將固液和氣液傳遞統(tǒng)一為在液相中的傳遞問(wèn)題(圖2)。另外，基于線性非平衡熱力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了CO2吸收過(guò)程的反應(yīng)及擴(kuò)散阻力分析及控制因素確定，并揭示了離子液體膜厚度、黏度等關(guān)鍵控制因素對(duì)CO2傳遞過(guò)程通量大幅度提高的機(jī)制。隨著載體(TiO2)表面的離子液體膜厚不斷減小(從微米級(jí)減為納米級(jí))，CO2在負(fù)載離子液體([APMIm][Br]/TiO2)中傳遞系數(shù)(速率)具有103量級(jí)差異，分布在三個(gè)顯著不同的機(jī)制區(qū)域[44-45](圖3)。進(jìn)一步分析表明，當(dāng)離子液體([APMIm][Br])在TiO2表面的膜厚為1.64 μm 時(shí)，CO2傳遞過(guò)程的總阻力為1272，其中擴(kuò)散阻力所占比例為99.8%(即擴(kuò)散阻力控制)；而當(dāng)膜厚變成17.5 nm 時(shí)，CO2傳遞過(guò)程的總阻力為3.14，其中擴(kuò)散阻力所占比例為11.4%(即反應(yīng)阻力控制)。綜上所述，基于線性非平衡熱力學(xué)模型分析速率強(qiáng)化的機(jī)制，可以發(fā)現(xiàn)改變載體表面的離子液體膜厚可實(shí)現(xiàn)CO2傳質(zhì)過(guò)程的控制阻力由擴(kuò)散到反應(yīng)的轉(zhuǎn)變，這為離子液體分離膜的設(shè)計(jì)與調(diào)控提供了理論指導(dǎo)。

圖2 CO2吸收過(guò)程的非平衡熱力學(xué)線性化分析Fig.2 Non-equilibrium thermodynamic linearization analysis of CO2 absorption process

黏度是影響CO2在離子液體中擴(kuò)散阻力的重要因素[46-47]，基于此，F(xiàn)an 等[48]基于上述線性非平衡熱力學(xué)模型，進(jìn)一步通過(guò)引入共溶劑聚乙二醇(PEG200)改變離子液體的黏度以實(shí)現(xiàn)CO2在離子液體([Cho][Pro])支撐液膜中的傳遞阻力調(diào)控。結(jié)果表明，隨著聚乙二醇(PEG200)含量增加，離子液體的黏度下降，CO2傳遞過(guò)程的總阻力大幅度降低(圖4)。CO2在純離子液體([Cho][Pro])支撐液膜中的擴(kuò)散阻力占總傳質(zhì)阻力的58.8%，當(dāng)離子液體([Cho][Pro])/聚乙二醇(PEG200)的比例達(dá)到1∶2 時(shí)，CO2傳遞過(guò)程的總傳質(zhì)阻力下降為原來(lái)的1/2，其中擴(kuò)散阻力占總傳質(zhì)阻力的25%，相比純離子液體([Cho][Pro])支撐液膜中的比例下降50%。因此，通過(guò)離子液體黏度的調(diào)控實(shí)現(xiàn)CO2傳遞過(guò)程阻力控制因素由擴(kuò)散到反應(yīng)控制的轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步解釋了離子液體體系黏度的調(diào)控對(duì)于CO2傳遞通量大幅度提高的機(jī)制。

圖3 CO2在不同膜厚度的[APMIm][Br]/TiO2中的傳質(zhì)系數(shù)[44]Fig.3 Mass transfer coefficient(k)of CO2 in[APMIm][Br]/TiO2 with different film thicknesses[44]

圖4 CO2在離子液體支撐液膜中傳質(zhì)阻力與黏度關(guān)系[48]Fig.4 Relationship between mass transfer resistance and viscosity of CO2 in ionic liquid supporting liquid membrane[48]

基于上述離子液體膜厚與黏度對(duì)傳遞阻力的調(diào)控分析，如果將離子液體支撐液膜分離體系中的液膜厚度從微米下降到納米尺度，以華能乙醇胺水溶液捕集CO2工程為例[49-50]，那么，現(xiàn)有CO2分離裝置的尺寸可以下降為原先的1/30，如果離子液體的膜厚保持不變(仍為微米級(jí))，通過(guò)共溶劑加入降低離子液體黏度的方法可以使現(xiàn)有CO2分離裝置規(guī)模下降為原先的1/4，因此，納微界面處CO2傳遞模型建立及阻力調(diào)控為實(shí)現(xiàn)離子液體應(yīng)用于CO2分離捕集過(guò)程的投資和運(yùn)行成本降低提供了方向。

2 CO2在納微界面處的熱力學(xué)極限模型化及推動(dòng)力調(diào)控

納微界面引入后，CO2的平衡態(tài)化學(xué)位將發(fā)生變化。然而，傳統(tǒng)的分子熱力學(xué)僅描述宏觀流體的行為，未考慮界面的影響，無(wú)法描述納微界面引入后CO2在復(fù)雜體系中的平衡態(tài)化學(xué)位。由于CO2在納微界面處熱力學(xué)極限的準(zhǔn)確描述是有效調(diào)控推動(dòng)力的重要基礎(chǔ)，納微界面處的熱力學(xué)模型的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。近年來(lái)，許多研究者嘗試通過(guò)基底和粒子間的相互作用，即界面能，來(lái)建立描述納米粒子性質(zhì)的模型[51-53]。但是，上述模型的應(yīng)用條件相對(duì)復(fù)雜，難以獲得可靠的預(yù)測(cè)性結(jié)果。為了克服傳統(tǒng)分子熱力學(xué)描述界面處流體性質(zhì)的局限，Wu等[54]基于Gubbins 等[55]提出的微觀潤(rùn)濕參數(shù)(αw)的概念，考慮基底對(duì)主體相的影響，建立了基于分子參數(shù)的熱力學(xué)模型，并成功預(yù)測(cè)了納米粒子在固體表面處的熔點(diǎn)等性質(zhì)。

CO2在負(fù)載離子液體([Hmim][NTf2]/TiO2)的溶解度會(huì)大幅度增強(qiáng)[56]，基于上述分子熱力學(xué)模型，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)CO2在負(fù)載離子液體中的Gibbs 自由能的描述，實(shí)現(xiàn)其對(duì)溶解度的描述。具體而言，CO2在離子液體中的Gibbs 自由能分成離子液體主體相(Gbulk)、膜厚(GIL-surface)及界面作用(GIL-substrate)三部分貢獻(xiàn)(圖5)。進(jìn)一步定量分析膜厚和界面作用對(duì)CO2在負(fù)載離子液體([Hmim][NTf2]/TiO2)中溶解度的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)離子液體的膜厚小于2220 nm 時(shí)，基底(納微界面)對(duì)CO2在系統(tǒng)中Gibbs 自由能的貢獻(xiàn)是主導(dǎo)，其貢獻(xiàn)均在75%以上。至此，通過(guò)分子熱力學(xué)模型成功地將CO2在離子液體中的平衡態(tài)化學(xué)位描述從宏觀狀態(tài)拓展到界面。

納微界面的復(fù)雜性(如粗糙度、非均一性等)同樣會(huì)大幅度影響離子液體在界面的性質(zhì)及傳遞行為[57-59]。當(dāng)界面引入粗糙結(jié)構(gòu)后，離子液體的界面行為也會(huì)呈現(xiàn)明顯的變化。An 等[60]通過(guò)制備不同表面結(jié)構(gòu)的介孔和致密TiO2載體，將表面平均粗糙度控制為0.98 nm 和0.43 nm，利用接觸角實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)離子液體([Bmim][PF6])在介孔結(jié)構(gòu)TiO2載體表面接觸角小于其在致密結(jié)構(gòu)TiO2表面時(shí)的接觸角。通過(guò)原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)定量發(fā)現(xiàn)離子液體與介孔TiO2表面的相互作用力大于致密TiO2表面，進(jìn)一步通過(guò)離子液體吸收CO2實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有強(qiáng)相互作用的離子液體-介孔TiO2體系中CO2吸收平衡量和通量均提

圖5 [Hmim][NTf2]/TiO2中界面對(duì)體系Gibbs自由能貢獻(xiàn)[54]Fig.5 Gibbs free energy contribution of interface in system of[Hmim][NTf2]/TiO2

圖6 介孔(M)和致密(D)TiO2表面離子液體相互作用及CO2吸收性能[60]Fig.6 Interaction between ionic liquid and TiO2(dense and porous)and CO2 adsorption performances[60]

[54]高了一倍(圖6)。Wu 等[56]的分子熱力學(xué)模型分析發(fā)現(xiàn)TiO2表面粗糙度的變化導(dǎo)致了CO2在離子液體中其平衡態(tài)化學(xué)位下降1/2，從而導(dǎo)致了CO2平衡吸收量和傳遞通量的大幅增強(qiáng)。因此，可通過(guò)納微界面與離子液體相互作用的調(diào)控以降低CO2在離子液體中的平衡態(tài)化學(xué)位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CO2傳遞過(guò)程的通量強(qiáng)化。

3 基于分子模擬的納微界面強(qiáng)化機(jī)制分析

圖7 [Hmim][NTf2]/TiO2中CO2的吸附性能(分子模擬)[63]Fig.7 Adsorption performance of CO2 in[Hmim][NTf2]/TiO2(molecular simulation)[63]

圖8 碳材料狹縫中陽(yáng)離子([Bmim]+)和陰離子([PF6]-)沿z軸方向的數(shù)密度分布(陽(yáng)離子的特征片段為咪唑環(huán)和丁基鏈)[64]Fig.8 Number density profiles along z axis of cations([Bmim]+)(characteristic fragments:imidazolium ring and butyl chain)and anions([PF6]-)inside graphene slit[64]

如何從分子層面認(rèn)識(shí)界面強(qiáng)化機(jī)理是實(shí)現(xiàn)過(guò)程定量化調(diào)控的基礎(chǔ)。分子模擬被認(rèn)為是描述流體-界面微觀相互作用的有效工具。早期Shao 等[61]和Wang 等[62]均通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法分別研究了電解質(zhì)水溶液在碳納米管中的微觀性質(zhì)及碳納米管中水分子的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。近年來(lái)，分子模擬已被拓展到解釋復(fù)雜流體在納微界面處的平衡和傳遞性質(zhì)。Tang 等[63]采用分子模擬研究CO2在負(fù)載離子液體([Hmim][NTf2]/TiO2)中的增強(qiáng)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)TiO2表面的離子液體膜厚會(huì)影響離子液體及所吸收CO2的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)TiO2表面的離子液體膜度為2.1 nm 時(shí)，在靠近TiO2表面附近區(qū)域，CO2的數(shù)密度達(dá)最大，表明了離子液體與納微界面的強(qiáng)相互作用導(dǎo)致了CO2吸收容量的大幅提高(圖7)。另外，Dai等[64]發(fā)現(xiàn)離子液體([Bmim][PF6])在2.8 nm 碳狹縫中能夠形成三個(gè)性質(zhì)完全不同的層區(qū)域，即“comlayer”，“sub-layer”和“cen-layer”區(qū)域。在上述區(qū)域，陽(yáng)離子([Bmim]+)和陰離子([PF6]-)之間的平均氫鍵數(shù)量相對(duì)體相中的離子液體顯著提高，并且碳狹縫內(nèi)陰陽(yáng)離子之間的相互作用相對(duì)于體相中有所下降(圖8)。上述分子模擬結(jié)果均表明納微界面處離子液體與界面間產(chǎn)生的復(fù)雜相互作用導(dǎo)致離子液體本身的性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化，進(jìn)而影響其對(duì)CO2的平衡吸收量和速率。

4 吸收塔中CO2分離過(guò)程強(qiáng)化分析及調(diào)控

實(shí)驗(yàn)、模型及分子模擬研究從多個(gè)尺度證明納微界面強(qiáng)化的機(jī)制并建立定量化調(diào)控方法，如何基于上述結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際CO2分離過(guò)程強(qiáng)化具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。吸收塔作為傳統(tǒng)的化工裝置，已被廣泛用于氣液分離過(guò)程，例如，有機(jī)胺、物理溶劑等脫除CO2過(guò)程。傳統(tǒng)的方法通過(guò)吸收劑的改變[65]、塔的工藝過(guò)程強(qiáng)化[66-67]等方式提高吸收塔的分離效率，盡管上述方法能夠取得一定的強(qiáng)化效果，但往往是經(jīng)驗(yàn)性的且氣體分離性能增強(qiáng)幅度有限。Li 等[68-70]結(jié)合前期霧化、鼓泡和擔(dān)載等界面強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以成熟的單乙醇胺(MEA)水溶液分離CO2工藝為對(duì)象，基于線性非平衡熱力學(xué)理論分析出CO2傳遞過(guò)程的阻力分布(圖9)。從吸收塔的塔底到塔頂，CO2的傳遞總阻力在增加，而總阻力中的控制因素也由液相反應(yīng)阻力轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嘧枇?，同時(shí)，CO2在液相中的擴(kuò)散阻力比例自下而上逐漸增加?；诖朔治?，將用于CO2吸收的高壓水洗填料塔依據(jù)高度和阻力分布劃分為三段，并針對(duì)不同位置的控制阻力，提出“三段式強(qiáng)化方案”[71]：(1)在塔頂處增加霧化噴頭，縮短液相傳質(zhì)距離，降低CO2的液相擴(kuò)散阻力(1/kd)；(2)改用高效填料，增加吸收劑在填料表面的潤(rùn)濕，降低液膜厚度；(3)引入新離子液體吸收劑([Cho][Cho])，強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)，增加CO2吸收速率和容量，降低反應(yīng)阻力(1/ks)。該強(qiáng)化方案對(duì)CO2分離過(guò)程的設(shè)備投資成本或者運(yùn)營(yíng)成本的降低有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

5 結(jié)論與展望

圖9 MEA填料吸收塔吸收CO2在不同塔高處的阻力定性分析[70-71]Fig.9 Qualitative analysis of resistance of MEA packing absorption tower at different tower heights [70-71]

綜上所述，傳統(tǒng)分離方法及過(guò)程強(qiáng)化無(wú)法徹底解決CO2分離過(guò)程的速率與效率的博弈。納微界面強(qiáng)化思想廣泛用于多相傳遞的化工過(guò)程，且取得很好的研究進(jìn)展。建立納微界面處的CO2傳遞模型、準(zhǔn)確獲得納微界面處CO2平衡化學(xué)位及定量化描述傳遞過(guò)程阻力是實(shí)現(xiàn)CO2分離過(guò)程強(qiáng)化有效調(diào)控的關(guān)鍵。本綜述從“傳遞模型建立-過(guò)程調(diào)控-強(qiáng)化機(jī)制分析”三者互動(dòng)的角度闡述納微界面處CO2傳遞模型的建立與傳遞過(guò)程阻力調(diào)控、納微界面處CO2平衡化學(xué)位的獲取(推動(dòng)力)以及采用分子模擬的方法對(duì)界面強(qiáng)化的機(jī)制進(jìn)行分析。基于上述理論研究成果，對(duì)吸收塔分離CO2的過(guò)程進(jìn)行分析并提出“三段式強(qiáng)化方案”，以降低CO2分離過(guò)程的投資與運(yùn)行成本。與此同時(shí)，上述研究對(duì)納微界面引入后CO2在界面處的傳遞阻力影響未進(jìn)行考慮，需要通過(guò)理論與動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行界面引入后CO2的傳遞阻力研究，前期離子液體與納微界面間的相互作用通過(guò)擬合CO2溶解度數(shù)據(jù)，該法的可靠性一般且可用的CO2溶解度數(shù)據(jù)有限，需要進(jìn)一步結(jié)合離子液體與納微界面的混合焓與CO2溶解度定量化描述納微界面增強(qiáng)作用，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)基于離子液體/納米材料/共溶劑的漿液體系及離子液體支撐液膜用于CO2分離過(guò)程強(qiáng)化。此外，上述研究的不足之處在于缺乏先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，進(jìn)一步用于納微界面增加的機(jī)制表征。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Gbulk,GIL-surface,GIL-substrate——分別為CO2在離子液體體相、界面及基底中的Gibbs自由能

J——傳遞通量，mol·m-2·s-1

1/K,1/ks,1/kd——分別為CO2傳遞過(guò)程總阻力、反應(yīng)阻力及擴(kuò)散阻力

αw——微觀潤(rùn)濕參數(shù)

μ,μ0,Δμ——分別為CO2的化學(xué)位、平衡態(tài)化學(xué)位及化學(xué)位差