1.文章導(dǎo)讀
多孔液體兼具多孔固體的孔隙率和液體的流動(dòng)性，有望成為新一代CO2捕集介質(zhì)。目前大多數(shù)針對(duì)CO2捕集的多孔液體研究仍處于材料開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)這種“固-液”并存體系分離含CO2混合氣過(guò)程的相平衡關(guān)系進(jìn)行深入研究與分析，將有助于評(píng)價(jià)多孔液體CO2捕集性能，指導(dǎo)多孔液體制備與工業(yè)應(yīng)用。在此背景下，中國(guó)石油大學(xué)（北京）陳光進(jìn)、鄧春課題組針對(duì)多孔液體CO2捕集介質(zhì)的相平衡過(guò)程開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)與建模研究，以“Hybrid Absorption-Adsorption of CO2 Capture using Type III Porous Liquids: Experimental and Rigorous Phase Equilibrium Model”為題發(fā)表于國(guó)際期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。該工作在相平衡實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)三種溶劑體系沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）基III型多 孔液體的不同相平衡行為（圖1），進(jìn)行嚴(yán)格建模和仿真，建立CO2/H2吸收-吸附耦合的單平衡級(jí)模型，揭示氣-多孔液體相平衡關(guān)系。
圖1 三種ZIF-8基多孔液體與相平衡模型
2.研究?jī)?nèi)容
（1）吸收-吸附耦合模型
如圖 2 所示，多孔液體內(nèi)部存在溶劑吸收，多孔固體吸附，以及可能的液膜滲透作用（取決于溶劑-固體相互作用）。根據(jù)多孔液體中溶劑類(lèi)型與固-液作用關(guān)系，非極性溶劑體系（ZIF-8/C16）采用PT+Langmuir法，極性溶劑體系（ZIF-8/DMAC）采用PT+UNIFAC+Langmuir法，極性氫鍵溶劑體系（ZIF-8/EG）采用PT+UNIFAC+ Osmotic pressure +Langmuir法，分別建立相應(yīng)的相平衡模型，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合。
圖2 吸收-吸附耦合模型
（2）耦合吸著容量
多孔液體的CO2吸著容量是多孔材料吸附與溶劑吸收共同耦合的結(jié)果。如圖3所示，隨著壓力升高，多孔材料（ZIF-8）吸附逐漸趨于飽和，吸附貢獻(xiàn)逐漸降低而吸收貢獻(xiàn)逐漸升高，這意味著存在一個(gè)的吸附與吸收貢獻(xiàn)相等的壓力點(diǎn)O，在該壓力點(diǎn)之后，多孔液體相對(duì)其等量的純?nèi)軇┎辉倬哂形萘可系膬?yōu)勢(shì)。此外，低吸收量的溶劑與ZIF-8的組合擁有更寬的吸收-吸附耦合適用壓力范圍，如圖2所示的綠色區(qū)域，在相同條件下，溶劑吸收量為EG
圖3 三種多孔液體吸收-吸附耦合區(qū)域
（3）耦合分離因子
如圖4（a）、（b）所示，一般情況下多孔液體（ZIF-8/C16、ZIF-8/DMAC）分離因子介于純?nèi)軇┖投嗫撞牧现g。而有液-固表面作用（氫鍵網(wǎng)絡(luò)）的多孔液體可以實(shí)現(xiàn)分離因子的突破，如圖4（c）。不同體系的多孔液體分離因子均隨壓力升高而下降，因此較低工作壓力下更能發(fā)揮多孔液體耦合分離性能。
圖4 不同壓力下溶質(zhì)、溶劑和多孔液體中H2/CO2的分離因子：
（a）ZIF-8/C16;（b）ZIF-8/DMAC;（c）ZIF-8/EG
（4）分離性能對(duì)比
如圖5所示，隨多孔液體中的固含率增加，耦合吸著量上升，耦合分離因子降低。通過(guò)固體材料和液體溶劑的配比可調(diào)控多孔液體分離性能，使其超越傳統(tǒng)物理脫碳溶劑碳酸丙烯酯（PC）。
圖5 多孔液體與PC吸著性能對(duì)比。（a）CO2溶解度;（b）CO2/H2分離因子
3.總結(jié)
該文章提出了適用多孔液體的吸收-吸附耦合通用相平衡模型，結(jié)合CO2/H2混合氣分離實(shí)驗(yàn)，對(duì)ZIF-8基多孔液體CO2捕集相平衡階段進(jìn)行了全面深入分析，其研究結(jié)果可推廣至其他氣-多孔液體體系，對(duì)多孔液體制備及應(yīng)用具有理論指導(dǎo)意義。