二氧化碳捕集与转化（CCUS）中离子液体吸收剂的循环稳定性优化

一、引言

随着全球工业化进程的加速，二氧化碳（ CO₂ ）排放量持续攀升，导致全球气候变暖等一系列环境问题。二氧化碳捕集与转化（CCUS）技术作为实现碳减排的重要手段，涵盖二氧化碳的捕集、运输、利用与封存等环节，对缓解温室效应、推动可持续发展具有重要意义 。在 CCUS 技术中，吸收分离是捕集二氧化碳的关键环节，而吸收剂的性能直接影响二氧化碳捕集的效率与成本。

离子液体作为一种新型绿色溶剂，具有蒸汽压低、热稳定性高、可设计性强等独特性质，在二氧化碳捕集领域展现出巨大的应用潜力 。然而，离子液体吸收剂在循环使用过程中存在稳定性问题，如化学降解、物理损耗等，导致吸收性能下降、成本增加，限制了其大规模应用。因此，研究离子液体吸收剂的循环稳定性优化方法，对提高 CCUS 技术的经济性和实用性具有重要的现实意义。

二、离子液体吸收剂在 CCUS 中的应用及循环稳定性问题

（一）离子液体吸收剂的应用优势

离子液体由有机阳离子和有机或无机阴离子组成，其独特的性质使其成为二氧化碳吸收的理想材料 。首先，离子液体几乎没有蒸汽压，在吸收过程中不易挥发，可减少溶剂损耗和环境污染；其次，离子液体的热稳定性高，能够在较宽的温度范围内稳定存在，适用于不同的捕集工艺条件；此外，通过改变阴阳离子的结构，可以设计出具有特定功能的离子液体，实现对二氧化碳的高选择性吸收 。

（二）循环稳定性问题分析

1.化学降解

在二氧化碳吸收和再生过程中，离子液体可能与二氧化碳、水、氧气等发生化学反应，导致结构破坏，从而降低吸收性能 。例如，某些碱性离子液体在高温下与二氧化碳反应生成碳酸盐，改变离子液体的组成和性质；在有水存在的条件下，离子液体中的某些基团可能发生水解反应，影响其稳定性 。

2.物理损耗

在吸收 - 解吸循环过程中，离子液体可能因与设备表面的吸附、与其他物料的夹带等原因造成物理损耗 。此外，离子液体的黏度较高，在循环过程中可能导致传质效率降低，增加能耗，同时也会加剧离子液体的损耗。

3.杂质影响

工业烟气中除了二氧化碳外，还含有二氧化硫（ SO₂ ）、氮氧化物（NO□ ）、粉尘等杂质，这些杂质会与离子液体发生反应或污染离子液体，影响其循环稳定性 。例如， SO₂ 会与碱性离子液体发生酸碱中和反应，消耗离子液体的活性基团，降低对二氧化碳的吸收能力。

三、离子液体吸收剂循环稳定性优化策略

（一）离子液体结构设计优化

1.阳离子结构设计

通过改变阳离子的结构，可以调整离子液体的物理化学性质，提高其循环稳定性 。例如，引入大位阻基团或具有特殊官能团的阳离子，可增强离子液体的空间位阻效应，减少与二氧化碳等气体的副反应；选择具有良好热稳定性和化学稳定性的阳离子骨架，如咪唑鎓、吡啶鎓等，并对其进行修饰改性，可提高离子液体的整体稳定性 。

2.阴离子结构设计

阴离子对离子液体的性能也起着关键作用。选择稳定性高、不易与二氧化碳及其他杂质发生反应的阴离子，如双三氟甲烷磺酰亚胺阴离子（TFSI⁻）、四氟硼酸根阴离子（BF₄⁻）等 。同时，通过引入功能性阴离子，如含有氨基、羟基等活性基团的阴离子，在提高二氧化碳吸收能力的同时，保证离子液体的循环稳定性 。

（二）复配改性优化

1.与传统吸收剂复配

将离子液体与传统的二氧化碳吸收剂（如醇胺溶液）进行复配，利用两者的优势互补，提高吸收性能和循环稳定性 。离子液体可以降低醇胺溶液的挥发性和腐蚀性，醇胺溶液则可以提高离子液体的吸收速率 。例如，将离子液体与甲基二乙醇胺（MDEA）复配，在保证二氧化碳吸收效率的同时，减少了 MDEA 的降解和挥发，提高了吸收剂的循环稳定性 。

2.离子液体之间复配

不同结构和性质的离子液体复配，也可以优化其性能。通过选择具有不同功能的离子液体进行复配，如将高选择性的离子液体与高稳定性的离子液体混合，可在提高二氧化碳吸收选择性的同时，增强吸收剂的循环稳定性 。

（三）工艺优化

1.反应条件优化

合理控制二氧化碳吸收和解吸过程中的温度、压力、反应时间等条件，可减少离子液体的降解和损耗 。在吸收过程中，避免过高的温度，防止离子液体发生热分解；在解吸过程中，选择合适的温度和压力，确保二氧化碳充分解吸的同时，减少离子液体的热降解 。

2.杂质去除与分离

在二氧化碳捕集前，对工业烟气进行预处理，去除其中的杂质，如采用脱硫、脱硝、除尘等技术，减少杂质对离子液体的影响 。此外，在离子液体循环使用过程中，建立有效的分离和净化工艺，及时去除反应产物和杂质，保证离子液体的纯度和性能 。

四、案例分析

在某燃煤电厂的碳捕集、利用与封存（CCUS）示范项目中，研究人员采用了一种经过精心结构设计优化的离子液体吸收剂。这种离子液体吸收剂的创新之处在于，通过对咪唑鎓阳离子进行特定的烷基链修饰，并精心挑选了 TFSI⁻作为其阴离子，从而显著提升了其热稳定性和化学稳定性。此外，在整个工艺流程上，研究团队对二氧化碳的吸收和解吸条件进行了细致的优化，同时增加了烟气预处理和离子液体净化的环节，以确保整个系统的高效运行。经过长期的运行测试，结果表明，这种经过优化的离子液体吸收剂在经历了100 次循环后，其二氧化碳的吸收能力仅下降了 8% ，这一数据相较于未进行结构优化的离子液体吸收剂，其循环稳定性有了显著的提升。这一成果不仅提高了二氧化碳捕集的效率，而且有效降低了二氧化碳捕集的成本，为燃煤电厂的碳减排提供了新的技术路径。

五、结论与展望

离子液体吸收剂在 CCUS 中具有广阔的应用前景，但循环稳定性问题制约了其大规模推广。通过离子液体结构设计优化、复配改性以及工艺优化等策略，能够有效提高离子液体吸收剂的循环稳定性。实际案例表明，合理的优化措施可显著降低吸收剂损耗，提高二氧化碳捕集效率。

然而，目前离子液体吸收剂的循环稳定性优化仍面临一些挑战，如优化成本较高、大规模生产工艺有待完善等。未来，需要进一步深入研究离子液体的结构 - 性能关系，开发更高效、低成本的优化方法；加强与其他学科的交叉融合，探索新的材料和工艺，推动离子液体吸收剂在 CCUS 领域的广泛应用，为实现碳减排目标提供有力支撑。

参考文献

[1]孙艳军,郑海圻,王世彪,等.COSMO-RS 方法筛选离子液体作为吸收 式制冷剂的吸收剂[J].制冷学报,2024,45(06):91-98.

[2]赵唯,刘立,范驰,等.氨基功能化离子液体复配 PMDETA 吸收剂的制备及其捕集 CO2 实验[J].环境工程学报,2024,18(08):2346-2356.

[3]吕超,张习文,金理健,等.新型两相吸收剂-离子液体系统高效捕获CO 2[J].化工进展,2023,42(06):3226-3232.DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-15 11.