湘大胡夏一、凌浩团队&北化曹达鹏团队AIChE J.：CO2热力学溶解度预测的通用模型

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

全球气候变化的日益严峻，CO₂排放导致的温室效应问题亟待解决。在实现全球碳中和目标的征途上，湘潭大学胡夏一团队联合北京化工大学曹达鹏团队，在凌浩博士的引领下，于AIChE Journal 上发表最新研究成果，报道了一种新型通用热力学模型，为CO₂捕集技术领域带来了创新性的突破。

全球气候变化和碳中和目标的实现，对CO₂捕集技术提出了更高的要求。有机胺溶剂化学吸收法作为CO₂捕集的有效手段，其热力学模型的精确性对于理解和优化该技术至关重要。然而，现有模型在预测精度和普适性方面存在局限。

胡夏一教授团队采用了10种文献中的叔胺溶剂数据，对所提出的通用模型进行了严格的测试。该通用模型显著提高了对NMM和NEM的CO₂平衡溶解度的预测准确性，AAD分别为0.98%和0.77%。此外，在预测上述10种叔胺溶液中的CO₂平衡溶解度方面，新模型与Kent-Eisenberg模型相比，新模型在不同叔胺溶剂中的AAD显著降低，例如在1-(2HE)-PP中的降低幅度达到了93.27%，在DMAEE中的降低幅度为69.98%。这些显著的改进不仅证明了新模型的优越性，而且也显示了它在不同叔胺体系中的普适性。

图1. 七种热力学模型对1-(2HE)-PP、2DMA2M1P、DMAEE、MPDL、1DEA2P、1DMA2P、DEAB、DMAB、EMAB和MDEA的CO₂平衡溶解度的预测结果对比

研究者们首先通过平衡溶解度实验装置测定了N-甲基吗啉（NMM）和N-乙基吗啉（NEM）水溶液在温度为298.15-323.15 K，CO₂分压为7.5-100 kPa，浓度为1-2M条件下的CO₂平衡溶解度数据，并依据pH测定值计算了NMM和NME的解离常数（pKa）。

图2.（a）1M（b）2M NMM溶液和（c）1M（d）2M NEM溶液的CO₂平衡溶解度（点为实验值，线条为模型预测值）

图3. 不同胺的CO₂吸收热随CO₂负载变化图

图4. 不同胺水溶液的性能对比（a）CO₂平衡溶解度（2M和303 K），（b）pKa（298 K）与ΔH_abs

基于NMM和NEM的CO₂平衡溶解度数据，该研究通过CO₂吸收反应机理、平衡常数、质量和电荷守恒、亨利定律等为基本依据和原理，拟合K₁表达式的系数A_i值是热力学模型准确预测的关键。在此，根据实验参数计算各反应的平衡常数K_i和氢离子浓度，得出溶液中各组分的浓度，然后使用MATLAB对优化的K₁表达式系数A_i值进行拟合，最后得到二氧化碳平衡溶解度的预测值。

图5. 热力学模型计算过程

研究者们利用已报道的Kent-Eisenberg、Austgen、Helei-Liu①、Hu-Chakma、Li-Shen和Helei-Liu②等六种热力学模型进行热力学建模。通过对比分析六种热力学模型及其对NMM和NEM的CO₂平衡溶解度的预测效果，研究者们提出：与平衡常数K₁相关联参数的完善程度及其函数形式是决定模型预测精度和普适性的关键因素。基于该理论，研究者们建立一种新的通用热力学模型。在验证过程中，新模型的预测结果与六个现有模型进行了对比，结果显示新模型在NMM和NEM溶液中CO₂平衡溶解度的预测平均绝对偏差（AAD）显著低于其他模型。

图6. 计算得到的CO₂平衡溶解度与实验值对比（a）NMM，（b）NEM

这种兼具预测精度和普适性的通用模型的建立不仅对探究Amine-H₂O-CO₂体系内温度、胺浓度、压力和各物种浓度等参数之间的联系大有裨益，而且可以为筛选和评估性能优异的有机胺吸收剂提供重要的理论指导。该成果发表在AIChE Journal 上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A general model for prediction of the CO₂ equilibrium solubility in aqueous tertiary amine systems

Cheng Yu, Hao Ling*, Zhigang Shen, Hongyun Yang, Dapeng Cao*, Xiayi Hu*

AIChE J., 2024, DOI: 10.1002/aic.18551

凌浩博士简介

湘潭大学讲师，硕士生导师，湘潭市D类高层次人才，湖南省表面处理材料工程技术研究中心副主任。2021年博士毕业于湖南大学。

主要研究方向涉及二氧化碳捕获、大气污染物处理技术及其分离强化技术、环保型表面处理材料等。以第一作者或通讯在AIChE Journal、Chem. Eng. J.、Ind. Eng. Chem. Res.、Sep. Purif. Technol.等期刊上发表论文14篇。个人网页：https://hgxy.xtu.edu.cn/info/1023/4698.htm 

曹达鹏教授简介

北京化工大学教授，博士生导师。2016年获国家杰出青年基金、入选英国皇家化学会会士（Fellow of RSC）。

现任分子与材料模拟实验室主任。先后获教育部自然科学一、二等奖各1项（均排名第一）；任中国化学会第29届理事会理事、以及中国化工学会多个专业委员会委员，任Engineered Science等多个国际期刊副主编和编委。2014和2016年均入选英国皇家化学会TOP 1% 高被引学者。提出了一套耦合量子化学和统计力学的多尺度模拟方法，并成功制备出理论设计的系列高性能化工新材料，实现了“理论指导实验”的构想，为化工新 材料的研发提供了重要基础。在Nature Catalysis、PNAS、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊上发表SCI论文240余篇，被SCI引用8000余次。研究成果被美国能源部政府工作报告、美国化学会新闻、美国科学日报、环球科学等几十家境外与境内媒体多次引用和报道；被邀请在国际国内会议做特邀报告60余次,被邀请在美国加州大学Berkeley和Riverside，英国女王大学，澳大利亚CSIRO高等研究院，北京大学，清华大学等高校作学术演讲40余次。个人网页：https://chem.buct.edu.cn/2019/1217/c13255a17-5502/page.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/49590 

胡夏一教授简介

湘潭大学胡夏一教授，博士生导师，现任湘潭大学创业学院院长、科协秘书长，湖南省海泡石资源化利用工程技术研究中心主任，英国爱丁堡大学（QS全球第16名）博士、博士后，英国爱丁堡大学研究员，美国化学工程师学会（AIChE）和英国化学工程师学会（IChemE）高级会员，全球吸附协会高级会员，中国青年科技工作者协会会员。

现任国际期刊Frontiers in Chemical Engineering编委，中国涂料工业协会专家委员会委员，湖南省碳达峰碳中和专家咨询委员会委员，湖南省生活垃圾渗滤液处理工程研究中心副主任，国家级众创空间导师，湖南省科技专家库专家，湖南省海泡石标准化专家委员会委员。获评美国能源部青年科学奖励，湖南省科技创新领军人才，湖南省青年科技奖，湖南省杰青，中国非金属矿科技进步一等奖（排名第二），中国石油和化学工业科技进步奖（排名第一），湖南省科技进步奖（排名第二），湖湘青年英才，芙蓉学者计划-湖南省党外青年科技人才，湖南省石油化工优秀工程师，湘潭市优秀专家，湘潭大学韶峰学者等奖励，学术成果先后受到人民日报海外版，学习强国，英国BBC5套、湖南台报道。个人网页：https://hgxy.xtu.edu.cn/info/1020/4329.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/24985 

科研思路分析

Q：这项研究中开发的通用热力学模型是怎么得到的？通用模型又是如何提高对CO₂平衡溶解度预测精度的？

A：热力学研究对探究Amine-H₂O-CO₂体系内温度、胺浓度、压力和各物种浓度等参数之间的联系大有裨益，同时热力学模型的构建极大的便利了体系中各反应平衡态和气液间传质过程关键数据的可获得性。然而，现有的各类模型均存在普适性不强的短板，无法在不同胺溶剂体系中广泛推广应用。于是本研究将现有的典型模型应用于广泛的胺溶剂体系，并通过对比分析各模型在不同胺溶剂体系中的预测效果，探究出了影响热力学模型预测精度与普适性的关键因素，建立了一种新的通用模型。该通用模型创新性地将温度、游离胺浓度、CO₂分压、CO₂负荷和CO₂物理溶解度等多个关键特征变量纳入K₁表达式，并基于广泛的模型验证数据优化了平衡常数K₁与多个关键特征变量的函数形式，从而显著提高了预测精度。非线性回归方法的应用进一步确保了模型参数的准确性。

Q：新模型的提出是否意味着现有模型将被完全取代？

A：新模型的提出是对现有模型的重要补充和改进，并不意味着现有模型会被立即取代。现有模型在特定条件下可能仍有其应用价值，但新模型提供了一个更准确、更普适的选择。本研究新建立的通用模型突破了传统热力学模型普适性不强的短板，是一种兼具预测精度与普适性的热力学模型，能够在不同胺溶剂体系中广泛推广应用，该模型对筛选和评估性能优异的有机胺吸收剂具有重要的理论指导意义。

Q：这项研究成果的发表对学术界和工业界有何影响？

A：这项研究成果的发表能够为学术界提供新的研究思路和理论基础，促进CO₂捕集技术的理论创新，为热力学研究向更高效、精准的方向发展提供重要的参考和借鉴，推动热力学学科和相关学科的发展，提高学术研究的深度和广度。对工业界而言，该通用模型为CO₂捕集技术的工业应用提供了重要的理论支持，促进新技术和新工艺的发展，有助于优化碳捕集过程、降低能耗，并提高整体碳捕集效率。该研究成果的发表预期将推动碳捕集技术向更高效、经济、环保的方向发展，为实现全球碳减排模板提供强有力的技术支持。