摘要：为了实现“双碳”目标，减轻温室效应，提出基于高沸点醇胺深共熔溶剂的二氧化碳捕集－转化一体化工艺。试验结果表明，所有方案的深共熔溶剂密度随着温度的增加而下降，黏度随着温度增加而下降。其中，四甲基胍与乙二醇制备的深共熔溶剂密度最小，在65℃温度下，密度为1.02 g/cm3。黏度下降较小，黏度也最低。该工艺具有高效的二氧化碳捕集－转化能力，为制备出高质量的深共熔溶剂、提高二氧化碳的转化效率提供了有力支持。

　　关键词：二氧化碳；捕集；转化；深共熔溶剂；甲烷

　　0引言

　　随着全球气候变化的日益严峻，二氧化碳（CO2）减排已成为国际社会普遍关注的焦点。中国已明确向世界表态，将以新发展理念为引领，在推动高质量发展中促进经济社会发展全面绿色转型，脚踏实地落实2030年前CO2排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标[1]。在此背景下，针对燃煤烟气等CO2主要排放源的捕集与转化技术显得尤为重要。高沸点醇胺深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents，DES）作为一种新型的捕集溶剂，具有低挥发性、高热稳定性、良好的CO2吸收能力和可设计性等优点[2]。这些特性使得高沸点醇胺DES在CO2捕集方面展现出巨大的潜力。通过优化DES的组成和结构，可以进一步提高其对CO2的吸收效率和选择性，同时，降低能耗和成本。因此，研究提出了基于高沸点醇胺DES的CO2捕集－转化一体化工艺，分析DES对CO2捕集能力的影响，并采用DES捕集－转化CO2转化制备甲烷（CH4），旨在实现CO2的高效减排和利用。

　　1基于高沸点醇胺DES的CO2捕集—转化研究

　　1.1基于高沸点醇胺DES的CO2捕集影响分析

　　在CO2转化方面，传统的转化技术往往存在转化效率低、产物附加值低等问题。而基于高沸点醇胺DES的CO2捕集－转化一体化工艺则可以实现CO2的高效转化和高附加值利用。例如，通过催化剂辅助的热再生过程，可以直接将富胺液中的CO2转化为具有工业价值的碳酸酯类化合物，实现捕集与转化的无缝衔接[3]。这种一体化工艺不仅提高了CO2的转化效率，而且增加了产物的附加值，为CO2的减排和利用提供了新的途径。

　　DES通常由两种或多种组分通过氢键或其他相互作用力形成低共熔混合物。这些组分通常包括季铵盐、酰胺、羧酸和醇等。不同的组成成分会影响DES的物理化学性质，从而影响其对CO2的捕集能力。本研究采用四甲基胍和乙二醇两种高沸点醇胺进行DES制备。

　　CO2的解吸途径包括物理吸收法和化学吸收法。研究采用了化学吸收法，利用CO2的酸性特性与碱性物质发生化学反应，生成碳酸盐或其他化合物。解吸过程通常需要通过加热或其他方式破坏这种化学平衡，使CO2重新释放出来[4]。除了DES的组成成分和结构外，其他因素（如温度、压力和含水量等）也会对DES的CO2捕集能力产生影响。DES中含水量对CO2解吸的影响如图1所示。

　　由图1可知，如果DES和CO2的反应产物为氨基甲酸酯，体系内过量的水会与氨基甲酸酯反应生成碳酸，碳酸分解为水和CO2，从而导致DES的捕集能力下降。在化学吸收法中，将吸收液加热至一定温度，使生成的碳酸盐分解，释放出CO2。这种方法需要消耗大量的热能。也可以通过加入其他化学物质（如酸或碱）来改变溶液的pH值，使碳酸盐分解并释放出CO2，这种方法需要额外的化学物质和处理步骤。

　　1.2原位催化转化CO2制备CH

　　在DES捕集CO2的基础上，通过引入催化剂，可以原位催化转化CO2制备CH4。首先，采用四甲基胍和乙二醇（物质的量比为1∶5）制备深共熔溶剂。具体步骤如下：

　　1）计算出所需四甲基胍和乙二醇的具体质量或体积。

　　2）将计算好的四甲基胍和乙二醇放入一个干净的容器中，确保充分混合。

　　3）将混合好的溶液置于加热装置上，在60℃恒温环境下进行搅拌，直至获得澄清透明的均质溶液，确保溶剂能够均匀混合且不会过热分解。

　　4）将制备好的深共熔溶剂存储在避光、阴凉且干燥的环境中，以备后续使用。

　　接下来，研究CO2的捕集－转化。CO2捕集为吸收过程，纯CO2气体或混合气体（CO2与空气混合）通过流量计进入填料塔的底部，同时，从塔顶喷淋吸收剂（纯水）[5]。气体由下而上经过填料层与液相水逆流接触，CO2被吸收进入水中。解吸过程中，将吸收后的溶液从塔底流入解吸塔，通过加热和（/或）减压的方式使CO2从溶液中释放出来。释放出的CO2气体可以通过流量计进行收集和测量。

　　在DES捕集CO2的基础上，引入催化剂，实现原位催化转化CO2制备CH4。铜基催化剂在CO2还原反应中表现出优异的催化性能，特别是对CH4的选择性较高。因此，铜基催化剂是DES中催化转化CO2制备CH4的理想选择。CO2甲烷化反应又叫做Sabatier反应，按一定比例混合的CO2和H2通过装有催化剂的反应器，在一定的温度和压力条件下，CO2和H2发生反应，生成水和CH4。化学反应方程式如式（1）：

　　2基于高沸点醇胺DES的CO2捕集—转化试验

　　2.1试验试剂与准备

　　为了验证研究提出的基于高沸点醇胺DES的CO2捕集－转化一体化工艺，开展试验并分析相应的设计参数和试验数据结果，验证方法的优势和可行性，为CO2的高效减排和利用提供参考。以某项目为例，该项目采用了基于高沸点醇胺DES的CO2捕集－转化一体化工艺。通过优化DES的组成和工艺参数，实现了CO2的高效捕集和CH4转化。试验装置包括填料塔、风机、流量计、减压阀、钢瓶（用于提供CO2）、水箱以及取样和分析设备等。

　　2.2 CO2捕集-转化结果分析

　　在一定温度范围下DES的密度与黏度性能分析如图2的示。其中，A方案为研究提出的有四甲基胍和乙二醇制备的DES，B方案为用1，8-二氮杂环［5，4，0］十一烯-7和乙二醇制备的DES，C方案为由1，5-二氮杂双环［4.3.0］-5-壬烯和乙二醇制备的DES，D方案为由乙酰胍和乙二醇制备的DES。由图2可以看出，所有方案的DES密度随着温度的增加而下降。其中，A方案的DES密度最小，在65℃温度下密度为1.02 g/cm3。所有DES的黏度随着温度增加而下降，其中，A方案的黏度下降较小，黏度也最低。

　　DES对CO2捕集吸收与不同催化剂作用下的CH4和CO2转化情况如图3所示，催化剂1—6分别为钌/碳、雷尼镍、钌/碳+雷尼镍、钴+雷尼镍、钯/碳和钌/碳+钯/碳。由图3可以看出，A方案的CO2与DES的质量比最大，说明CO2捕捉效率最好，在5 min以后稳定在0.18。其他方案的质量比均小于A方案。在催化剂1的作用下，CO2的转化率、甲酸盐产量、CH4产量和CO产量最好。

　　3结论

　　研究提出基于高沸点醇胺DES的CO2捕集－转化一体化工艺。试验结果表明，由甲基胍和乙二醇制备的DES吸收CO2时，CO2与DES的质量比最大，说明CO2捕捉效率最好，在5 min以后稳定在0.18。其他方案的质量比均小于研究DES。在钌/碳催化剂的作用下，CO2的转化率、甲酸盐产量、CH4产量和CO产量最好。由此可见，研究方法能有效捕集和转化CO2，实现CO2的高效利用。然而，研究在催化剂的稳定性、反应条件的优化以及大规模工业化应用等方面考虑得不够。后续研究中，需要进一步探索如何提高催化剂的性能。

参考文献

　　[1]桑树勋，华凯敏，屠坤坤，等.生物质能高效利用与二氧化碳捕集利用封存耦合技术体系（BECCS）的发展方向与研究进展[J].中国矿业大学学报，2023，52（5）：845-867.

　　[2]张劢，田瑶，郭之旗，等.光催化－生物杂合系统设计优化用于燃料和化学品绿色合成[J].化工学报，2022，73（7）：2774-2789.

　　[3]魏书洲，谭舒婷，熊卓，等.基于堆栈电解池的纳米SnO2电催化CO2还原试验[J].洁净煤技术，2024，30（8）：99-106.

　　[4]张海霞，虎慧，朱治平，等.C/CO2摩尔比对CO2气氛流态化预热活化半焦特性的影响[J].煤炭学报，2024，49（4）：2067-2075.

　　[5]闫瀚钊，王艳丽，李进锋.膜分离法捕集烟气中二氧化碳的研究进展[J].低碳化学与化工，2024，49（11）：113-121.