"碳中和"专刊系列文章(十三)—叔胺作为质子转移介质强化基于氨乙基乙醇胺的无水吸附剂捕集CO2：性能和机理研究

Enhancing CO₂ capture of an aminoethylethanolamine-based non-aqueous absorbent by using tertiary amine as a proton-transfer mediator: From performance to mechanism

Xiaobin Zhou, Dan Wang, Chao Liu, Guohua Jing*, Bihong Lv, Dunqiu Wang*

https://doi.org/10.1016/j.jes.2023.06.009

摘要

非水吸收剂因其节能潜力显著而备受瞩目。二元伯胺（如氨乙基乙醇胺，AEEA）具有较高的CO₂吸收负荷，是配制非水吸收剂的优选试剂，但其再生性能尚需优化。本研究创新性地引入叔胺作为质子传递媒介，以提高氨乙基乙醇胺（AEEA）/二甲基亚砜（DMSO）的再生性能。研究发现，引入二乙基氨基乙醇、五甲基二乙烯三胺、3-二甲氨基-1-丙醇和二甲基乙醇胺等叔胺不仅能强化AEEA/DMSO的可再生性，而且提高了吸收剂的CO₂吸收性能。AEEA/DMSO的CO₂吸收负荷和循环负荷分别增加了12.7%和15.5%-22.7%。通过核磁共振和量子化学计算，全面探讨了叔胺增强CO₂捕集机理。在吸收过程中，叔胺作为两性离子的最终质子受体，促进更多的AEEA转化为氨基甲酸盐（AEEACOO-），从而强化CO₂吸收。解吸阶段，叔胺既作为质子直接供体向AEEACOO-提供质子，又扮演质子桥梁作用，推动质子从质子化AEEA高效转移至AEEACOO-，降低解吸能垒，显著提升CO₂释放效率。因此，叔胺的存在使AEEACOO-更容易获得质子进行分解，从而增强了CO₂的解吸。总之，向AEEA/DMSO无水吸收体系中巧妙融入叔胺作为质子传递媒介，既提高了CO₂吸收性能，还增强了吸收剂的可再生性，是一种“一举两得”的有效方法。

亮点

向AEEA/DMSO无水吸收体系中巧妙融入叔胺作为质子传递媒介，不仅优化了CO₂吸收性能，还增强了吸收剂的可再生性，实现了CO₂吸收-解吸性能提升的双重目标。

Abstract

Non-aqueous absorbents (NAAs) have attracted increasing attention for CO₂ capture because of their great energy-saving potential. Primary diamines which can provide high CO₂ absorption loading are promising candidates for formulating NAAs but suffer disadvantages in regenerability. In this study, a promising strategy that using tertiary amines (TAs) as proton-transfer mediators was proposed to enhance the regenerability of an aminoethylethanolamine (AEEA, diamine)/dimethyl sulfoxide (DMSO) (A/D) NAA. Surprisingly, some employed TAs such as N,N-diethylaminoethanol (DEEA), N,N,N',N'',N''-pentamethyldiethylenetriamine (PMDETA), 3-dimethylamino-1-propanol (3DMA1P), and N,N-dimethylethanolamine (DMEA) enhanced not only the regenerability of the A/D NAA but also the CO₂ absorption performance. Specifically, the CO₂ absorption loading and cyclic loading were increased by about 12.7% and 15.5%-22.7%, respectively. The TA-enhanced CO₂ capture mechanism was comprehensively explored via nuclear magnetic resonance technique and quantum chemical calculations. During CO₂ absorption, the TA acted as an ultimate proton acceptor for AEEA-zwitterion and enabled more AEEA to form carbamate species (AEEACOO-) to store CO₂, thus enhancing CO₂ absorption. For CO₂ desorption, the TA first provided protons directly to AEEACOO- as a proton donor; moreover, it functioned as a proton carrier and facilitated the low-energy step-wise proton transfer from protonated AEEA to AEEACOO-. Consequently, the presence of TA made it easier for AEEACOO- to obtain protons to decompose, resulting in enhanced CO₂ desorption. In a word, introducing the TA as a proton-transfer mediator into the A/D NAA enhanced both the CO₂ absorption performance and the regenerability, which was an efficient way to “kill two birds with one stone”.

作者简介

第一作者

周小斌，2019年在华侨大学化工学院获得博士学位。现任桂林理工大学副教授，硕士生导师。主要从事二氧化碳捕集技术、环境功能材料等相关研究，主持国家自然科学基金2项、广西自然科学基金项目2项，在Environ. Sci. Technol.、Appl. Energy、Chem. Eng. J.、Sep. Purif. Technol.、Energy、J. Environ. Sci.等国际期刊发表文章30余篇，授权专利2项。

通讯作者

荆国华，教育部长江学者特聘教授，福建省高层次A类人才，华侨大学高层次人才办公室主任。兼任中国环境科学学会环境与热能利用专业委员会副主任委员、厦门市环境污染治理与生态修复重点实验室主任。博士毕业于浙江大学，曾在清华大学环境学院、美国伊利诺伊大学香槟分校作访问学者。研究方向为大气污染物与温室气体协同控制，围绕国家减污降碳的重大需求，主要开展工业烟气污染控制、碳捕集和资源化利用、工业园区大气污染综合管控等方面的研究工作。主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金等国家级和省部级项目20余项，发表SCI论文120余篇，授权国家发明专利20余项。入选教育部新世纪优秀人才支持计划和福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划。

王敦球，教授，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴专家，广西优秀专家，教育部新世纪优秀人才支持计划人选，广西高校百名中青年学科带头人，广西十百千第二层次人选，第十届广西青年科技奖获得者。兼任教育部高等学校环境科学与工程专业教学指导委员会委员、中国环境科学学会水环境与水生态分会委员、政协第十三届广西壮族自治区委员会委员。近年来，主持和作为骨干参加完成了包括国家自然科学基金重点项目、国家高技术研究发展计划863计划项目、国家重大水专项在内的十余项研究课题。先后获得省部级科技进步奖一等奖1项、二等奖4项、三等奖1项。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1001074223002620

引用格式

Xiaobin Zhou, Dan Wang, Chao Liu, Guohua Jing, Bihong Lv, Dunqiu Wang, 2024. Enhancing CO₂ capture of an aminoethylethanolamine-based non-aqueous absorbent by using tertiary amine as a proton-transfer mediator: From performance to mechanism. J. Environ. Sci. 140, 146-156.