湿度对微波辅助流化床直接空气捕集CO2的影响：13X沸石的吸附路径与性能优化研究

《Environmental Research》：Effect of Humidity on Microwave-based Direct Air Capture under Fluidization

　　本研究探讨了湿度对微波辅助直接空气捕获（DAC）系统中13X沸石吸附剂CO2脱附的影响。通过设计不同吸附路径（路径1、2、3）在25%-75%相对湿度下进行实验，并利用单模微波单元实现快速体积加热与均匀温度分布（33-100°C，初始功率4W/8W）。结果表明，优化吸附路径可有效缓解亲水性吸附剂的"卷起效应"（roll-up effect），提升CO2纯度与产能，但13X沸石在循环实验中性能衰减超90%。本研究为湿热环境下DAC技术能效优化提供了新策略。

　　

章节亮点

引言

工业革命始于1760年，导致温室气体（GHG）（尤其是CO₂）浓度呈指数级增长。由于这些排放引发全球地表温度上升，削减温室气体排放已成为必然任务。许多国家已在《巴黎协定》中承诺采取行动限制温升。CO₂去除是应对全球变暖最重要的途径之一，而直接空气捕获（DAC）技术在此背景下备受关注。

固体吸附材料

13X沸石作为一种亲水性材料，其水分含量可能对CO₂捕集产生多重影响。Fu和Davis以及Ahmed等学者在湿热条件下使用13X沸石进行DAC实验，发现吸附剂会优先捕获CO₂分子，但随后这些CO₂分子会被H₂O分子"驱逐"并产生卷起效应——换言之，由于CO₂吸附能力弱于水分子，已吸附的CO₂会被水分子置换并推出反应器。

CO₂和H₂O吸附行为

实验前将3克13X沸石置于350°C马弗炉中热处理过夜。吸附阶段开始时，先使用N₂进行管路冷却和CO₂吹扫，随后在室温下通入湿热空气启动吸附过程。

图7显示了吸附过程中归一化的CO₂浓度与进出口相对湿度（RH）的变化关系。CO₂浓度每秒记录一次，而RH每5秒记录一次。空气中CO₂浓度数据进一步揭示了水分子对捕集效率的动态干扰。

结论

本研究通过单模微波单元辅助流化床反应器，探究了13X沸石在湿热条件下的物理吸附性能。通过采用不同吸附策略有效消除了水分对CO₂吸附与脱附的负面影响，并系统分析了温度与微波初始功率的影响机制。除CO₂捕集与再生效率外，研究还同步揭示了水吸附/脱附行为与系统能耗的关联规律。