随着全球气候变化挑战日益严峻,减排二氧化碳成为实现碳中和目标的关键路径。传统的碳捕获技术多依赖高温热能进行胺类洗涤剂再生,过程能耗高且设备复杂,制约了其大规模应用潜力。近年来,电化学碳捕获技术作为一种革新性的替代方案,因其能耗低、设备简洁、模块化强及易于扩展而备受关注。在电化学碳捕获技术中,电化学介导胺再生(Electrochemically Mediated Amine Regeneration,简称EMAR)技术因其相对成熟的技术水平和稳定的捕获性能,已成为热点研究领域。传统EMAR工艺多采用离子选择性膜分隔阳极和阴极,虽然确保了反应的高效进行,但膜组件的高成本和维护难题成为其商业化的显著瓶颈。为响应这一挑战,研究人员创新性地提出了一种无膜电化学介导胺再生系统,借助气体扩散电极(Gas Diffusion Electrodes,GDE)替代膜组件,通过重新设计工艺架构,实现碳捕获过程的简化和成本的显著降低。
无膜EMAR技术的核心突破在于利用GDE作为阳极和阴极,构建气液界面,实现CO2的高效脱附及吸收。阳极侧通过GDE调控使脱附的CO2迅速逸出并被扫气带走,避免其在阴极侧被重新吸收,这一设计创新有效解决了无膜下CO2循环吸收的问题,保持了较高的脱附效率。同时,阴极侧GDE实现了CO2的直接吸收,取代了传统工艺中的吸收塔,极大缩小了设备体积和流程复杂度。该系统工作于流动旁通模式,流程更为紧凑,无需吸收柱、闪蒸罐和循环泵,降低了设备投资和能耗。实验中,研究人员评估了两类GDE结构:机械附着的铜网和铜电沉积方式制备的GDE。铜电沉积GDE表现出优越的CO2去除效率,达到90%以上,同时在电流密度和能耗方面表现卓越,能耗低至60千焦/摩尔CO2,显著优于传统EMAR系统。
结构表征表明,电沉积层与碳基底紧密结合,消除了机械附着GDE的微间隙,减少了脱附CO2的再吸收,从而提升系统整体效率。然而,铜层过厚会形成物理阻碍,抑制气体扩散,降低脱附效率,因此铜层载量需精准优化,兼顾活性和传质性能。不同的碳基GDE载体对性能影响显著,结构多孔、疏水性适中的载体如Toray 060获得最佳平衡,赋予电极良好的气液管理和催化活性。试验结果表明,在最佳配置下,无膜EMAR系统不仅保持了高电流密度(约176安/平方米),且能耗降低,强化了能量转化效率。基于实验数据,经济性分析揭示无膜EMAR系统的潜在成本优势。由于无需昂贵的离子交换膜和简化的工艺设备,总体设备购置成本下降约40%,综合计算碳捕获的平准化成本从传统EMAR的137美元每吨降至约70美元每吨。
进一步优化当前密度和脱附效率,有望将成本降低至50美元每吨之下,接近现有工业目标。敏感性分析表明,能耗和电极寿命是决定系统经济性的关键参数,未来提升电极材料稳定性和催化性能是研发重点。此外,系统的模块化设计适用于不同规模点源排放治理,保障了技术的适应性和扩展性。技术展望方面,无膜EMAR的简化结构不仅降低了投资和运维复杂度,更有效地避免了膜材料老化、污染和化学降解带来的长期不稳定问题,为持续稳定运行奠定基础。未来研究将重点聚焦提升电极催化动力学,改进气液界面的质量传递,以及探索多种金属和胺类组合,进一步提升捕获速率和能效。对工业尾气中杂质(如硫氧化物、氮氧化物)对电极性能影响的深入评估,将确保装备的实用性和可靠性。
在应对复杂工况下,耐久性测试和长期循环稳定性将有助于验证技术成熟度,推动规模化示范应用。无膜EMAR技术结合了电化学技术的灵活性与胺基洗涤的高选择性,成为碳捕获领域的有力竞争者。它不仅优化了技术路径,减少了传统热法的高温能耗和设备冗余,更通过创新电极设计提升了经济性和环境兼容性。随着全球对碳中和的迫切需求和技术进步,无膜电化学介导胺再生技术有望实现从实验室走向产业化,助力能源转型和工业减碳,推动实现气候目标。无膜EMAR作为未来碳捕获技术发展的重要方向,展现了实现绿色低碳未来的广阔前景和巨大潜力。 。
