背景介绍

化石燃料驱动的工业过程产生大量碳排放是导致全球温室效应不断升级的主要原因。通过化学吸收（有机胺溶剂）从工业烟气中捕集CO₂是减少碳排放的关键策略。最近，新开发的液-液双相溶剂已成为降低溶剂再生能耗中具有竞争力的解决方案。同时，膜吸收法结合了膜技术和化学吸收法，具有操作灵活性、高体积传质系数和高选择性等优点，实现气液膜接触的同时能够避免相分散，有望降低双相溶剂在复杂烟气环境中胺挥发和氧化降解等风险。

图1. 双相溶剂结合超疏水陶瓷膜实现高效低能耗CO₂捕集。

该工作采用双相溶剂（二乙烯三胺和环丁砜）与超疏水陶瓷膜接触器相结合，可显著提高CO₂捕集性能并降低再生能耗。通过挤出成型法制备低成本粉煤灰基陶瓷膜，进一步通过化学接枝法改性以实现超疏水表面。基于静态润湿理论构建了单个疏水膜孔润湿模型，揭示了疏水改性的优点，并提出更有利于避免膜润湿的微负压系统运行模式。与传统的胺类溶剂相比，双相溶剂呈现出预期的相分离效果，性能测试表明双相溶剂结合超疏水陶瓷膜展现出更加优异的CO₂捕集性能和更低的再生能耗。

图文解读

超疏水陶瓷膜的制备方法

图2. 超疏水陶瓷膜的制备过程和微观形貌。

通过化学接枝法制备了超疏水陶瓷膜，研究了接枝浓度和时间对膜表面疏水性的影响。首先，硅烷接枝通过在陶瓷膜表面形成微纳米级硅球来增加陶瓷膜表面粗糙度，将其疏水性提高到137.8°。进一步，在疏水陶瓷膜表面的羟基上引入低表面能的氟硅烷，以降低陶瓷膜的表面能，实现>160°的超疏水表面。

超疏水陶瓷膜的润湿性能

图3. 超疏水陶瓷膜的润湿特性和突破压力。

基于静态润湿理论构建了单个膜孔润湿模型，对于亲水陶瓷膜，只能在负压下运行，而疏水陶瓷膜则可以承受一定程度的正压。胺溶液的表面张力更低，更容易出现膜润湿问题，因此，即使采用疏水膜，也建议采用微负压运行（液相压力略低于气体压力），以避免膜接触器在长期运行中的膜润湿问题。

双相溶剂结合超疏水陶瓷膜捕集CO₂

图4. 双相溶剂的筛选和性能评估。

采用二乙烯三胺制备双相溶剂，以环丁砜为分相剂，以评估制备的超疏水陶瓷膜捕集CO₂的性能，考察了溶剂流速对CO₂捕集性能的影响。实验表明，与未分相溶剂相比，双相溶剂结合超疏水陶瓷膜的CO₂捕集效率提高了7%，解吸所需的电能降低了32%。

总结与展望

图5. 超疏水陶瓷膜在长期测试中的耐久性和可靠性。

对超疏水陶瓷膜进行了60小时连续运行以评估其长期运行的稳定性。结果表明，超疏水陶瓷膜没有出现明显的膜润湿和传质恶化，证明了超疏水改性方法的可靠性和膜吸收系统在微负压条件下的稳定性。此外，对实验后的陶瓷膜进行深入表征证实了超疏水陶瓷膜出色的适应性和耐久性。

原文信息

本文以“Superhydrophobic ceramic membrane coupled with a biphasic solvent for efficient CO₂ capture”为题在Green Energy & Environment期刊在线发表，通讯作者为清华大学助理研究员陈阵和华北电力大学陈海平教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2024.07.010

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部