王长红博士、李康康研究员、杨声海教授等人发表于CEJ论文-传统电解冶金焕然一新：来自新兴碳捕集技术的“火星”碰撞- 大数跨境

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王长红博士、李康康研究员、杨声海教授等人发表于CEJ论文-传统电解冶金焕然一新：来自新兴碳捕集技术的“火星”碰撞

科学材料站

2021-08-31

导读：本文提出了一套新型的电解沉积-CO2捕集(ECC)耦合工艺，它吸纳了湿法冶金中电精炼的精髓

文章信息

面向实际应用的高能效电解沉积-CO2捕集耦合技术

第一作者：王长红

通讯作者：李康康*，杨声海*

单位：中南大学冶金与环境学院，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）能源中心

研究背景

传统化学法CO2捕集工艺依靠蒸汽热能进行CO2解吸和溶剂再生，需投入大量资金对热电厂蒸汽循环系统进行改造。例如，加拿大Boundary Dam CCUS项目在处理160MW发电站烟气的14亿加元中，高达5亿加元用于电站汽轮机和蒸汽循环系统的改造。

而钢铁厂、水泥厂等不具备发电厂蒸汽装置，不能直接应用传统化学法CO2捕集技术，需额外搭建蒸汽生产设施，势必造成更多的CO2排放和成本投入。

由电力驱动的电化学CO2捕集方法因其具有低温操作、理论能效高、灵活性高、适应性强的特点，越来越受到科研界的关注。但是，现有的电化学CO2捕集技术运行能耗高，或者在远低于实际应用的电流密度下运行，制约了其进一步发展和实际应用。

文章简介

基于此，来自澳洲CSIRO的李康康研究员与中南大学的王长红博士、杨声海教授合作，在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Electrowinning-coupled CO2 capture with energy-efficient absorbent regeneration: towards practical application”的论文。

本文提出了一套新型的电解沉积-CO2捕集(ECC)耦合工艺，它吸纳了湿法冶金中电精炼的精髓，采用氨为CO2捕集溶剂、过渡金属（锌、镍、铜等）为电介质，用于高效率低能耗CO2捕集。

本文通过化学模拟和实验相结合的路径探究了ECC方法的技术可行性，甄选了3组金属/氨配位组合，解析了ECC工作原理与能量性能，揭示了ECC低能耗运行模式，通过系统的研究，得到锌/氨配位化学组合具有优异的电化学性能，实验室运行获得了14.7kJe/molCO2的低能耗，与先进的热再生碳捕集技术（100-150kJth/mol CO2）和其它先进的电化学CO2捕集技术相比(50-500kJe/molCO2)，具有显著的能耗优势。

与热驱动胺工艺相比，ECC工艺因其电力驱动应用灵活性高，使得系统可以作为一种“即插即用”模式，工业应用适用性强。ECC过程具有模块化特性，意味着简单的模块化集成即可调节CO2捕集产能。

此外，ECC可成为可再生电力的储能系统，将电能转化为溶剂的化学能。值得一提的是，ECC锌/氨体系与锌湿法冶金工业中用于提取冶金与镀锌的锌/氨络合体系相似，其工程应用经验可借鉴于ECC的实际应用。鉴于锌电解沉积和氨法碳捕集的工艺成熟度, 本文的研究为电化学CO2捕集工艺提供了一种有前景且极具应用潜力的技术路径。

图文摘要：ECC高能效运行电化学机制

图1. ECC循环工艺流程示意图:

本文要点

要点一：锌/氨体系ECC过程模拟能耗表现

基于电化学过程和能斯特方程，构建了可靠的平衡模型来预测ECC过程变化的阴阳极电极电位分布，并构建了ECC循环，确定了ECC过程所需的理论最小电能。图2a表明试验值与模拟值误差仅1.6%，说明模型可靠性高。

图2b显示0.025<锌载荷<0.20的黄色循环理论能耗为9.3 kJe/molCO2；0.05<lzn(ii)<0.20的红色循环理论能耗为8.5kje molco2；0.1<锌载荷<0.20的蓝色循环理论能耗为7.5="" kje="" molco2。热力学理论为实验室规模ecc运行提供了能耗基准。="" <="" p="">

图2 三个典型锌/氨体系ECC循环的理论最小能耗: (a)在25°C含不同载荷CO2、不同载荷锌和4M氨的溶液中，模拟(线)和实验(点)电极电势；(b)典型ECC循环的模拟能耗分析. ①, ② and ③ 分别对应CO2吸收,CO2电解吸和氨再生过程。锌载荷与CO2载荷定义为锌、CO2分别与总氨的摩尔比

要点二：实验室规模锌/氨体系ECC全电解池运行能耗表现

采用实验室规模的3D-打印电解槽，研究了ECC循环实际能耗。如图3所示，当施加电流密度为300A/m2，能耗为36.9kJe/molCO2。降低施加电流密度能减少过电位与溶液电阻的能耗,当电流密度降到200A/m2和100A/m2时，能耗分别降到了18.2和14.7kJe/molCO2。

此能耗与常规热法CO2捕集的100~150kJth/molCO2能耗相比非常具有竞争优势，也优于目前先进电化学CO2捕集技术的50~500 kJe /molCO2。ECC电耗较低的主要原因是采用锌金属作为氧化还原介质，氧化还原过程简单，不涉及稳定的中间物质，过电位低。

图3 (a) 基于锌/氨体系ECC电解池中不同电流密度下的试验槽电压(mV)-电荷(C)曲线。条件：含有0.46载荷CO2、0.05载荷锌（II）的5 mL初始阳极液，含有0.22载荷CO2和0.20载荷锌（II）的5mL初始阴极液，80°C，4M氨，2M氯化钾；(b) 锌/氨体系ECC技术与其它最先进电化学CO2捕集技术的能耗表现比较。其它技术能耗信息引自Sharifian等人的参考文献（Energy. Environ. Sci. 2021, https://doi.org/10.1039/D0EE03382K），且仅考虑CO2解吸部分

要点三：全流程锌/氨体系ECC运行能耗需求

在实验电能耗基础上，我们分析了ECC全过程能耗需求，锌/氨体系ECC过程的总电耗估算为40.6kJe/molCO2，其中电化学CO2解吸与氨再生占32.3%，CO2压缩占36.5%，其余能量消耗包括回收逃逸氨的冷却能耗、鼓风机能耗、溶剂循环的泵耗、和其他辅助能耗。

图4显示：与传统热再生CO2捕集工艺相比，锌/氨ECC系统具有明显能耗优势，优于先进氨法工艺的45kJe/mol CO2和先进乙醇胺（MEA）工艺的54kJe/molCO2。

图4 锌/氨体系ECC工艺与传统的热再生氨和单乙醇胺(MEA)工艺的比较。先进的氨过程基于富分离与解吸塔内置加热的流程配置优化，再生能耗在145.5°C与10bar下为2.5GJ/tonCO2（Environ. Sci. Tech. 49 (2015) 10243–10252）；先进的MEA过程基于富分离与解吸塔内置加热的流程配置优化，再生能耗在123.7°C和2bar下为3.1GJ/tonCO2（Appl. Energ. 165 (2016) 648–659）

文章链接

Electrowinning-coupled CO2 capture with energy-efficient absorbent regeneration: towards practical application

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131981

通讯作者介绍

李康康博士。

2009和2012年分别获中南大学环境工程专业学士和硕士学位。2013-2016期间，在澳大利亚科廷科技大学、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）和美国德克萨斯大学奥斯汀分校联合培养下获得博士学位, 师从Paul Feron, Hai Yu, Gary Rochelle。2016年5月，在CSIRO能源中心从事博士后研究，于2019年6月获聘研究员（Research Scientist）职位，开展独立研究。主要从事温室气体二氧化碳捕集和资源化利用技术的开发和工程应用，发表40余篇高水平学术论文，申请国际PCT专利1项，主持国际级、国家级项目3项（共390万澳元），参与项目5项（共450万澳元），获得Eureka国际、教育部春晖杯创新创业优胜奖等奖项，现担任Frontiers in Energy Research 客座编辑.

杨声海教授。

1993年本科毕业于中南工业大学冶金物理化学专业，博士师从中南大学冶金与环境学院唐谟堂教授，1999年3月后一直在中南大学冶金与环境学院工作。2008年1月-2009年1月，在Colorado School of Mines冶金与材料系担任访问学者。2011年晋升为教授与博士生导师。主要从事重金属资源清洁提取新技术开发，电化学合成与蒸馏纯化制备高纯金属有机化合物。主持完成国家“863”计划项目(2004AA649080、2007AA03Z425) 2项、国家自然科学基金资助项目 (50404011、50974138、51374254)3项、国家博士后科学基金项目(20040350187、20070410988) 2项，负责国家自然科学基金重点项目(51234009)子项与国家“973计划”项目(2014CB643404)子项各1项，广东省重大专项项目、四川科技厅重点项目各1项，横向项目10余项。在国内外权威学术刊物上发表研究论文100余篇，申请国家发明专利60余件，授权40余件。

第一作者介绍

王长红博士。

2020年于中南大学获得博士学位，师从杨声海教授。2017年至2019年于澳大利亚CSIRO能源中心国家公派博士联合培养，师从李康康研究员、于海主任研究员、Paul Feron首席研究员。2020年至今于中南大学重金属污染防治创新团队从事博士后研究工作，合作导师为柴立元院士。主要从事电化学高效低耗碳捕集、电化学合成制备高纯金属有机化合物的研究和开发。以第一作者身份在Chemical Engineering Journal等学术刊物上发表7篇SCI论文。授权三项专利，其中一项实现成果转化。担任ACS Appl. Energ. Mater.等杂志审稿人。在国际会议或论坛做口头报告8次。主持一项省优秀博士后创新人才项目（资助40万）。