利用MgO改性的椰壳水炭协同增强循环CO?捕获：一项基于实验、经济分析和密度泛函理论（DFT）的研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Synergistic Enhancement of Cyclic CO 2 Capture Using MgO-Functionalised Coconut Shell Hydrochar: An Experimental, Economic, and DFT Investigation

椰壳制备的MgO功能化活性炭通过固态分散法实现最佳CO2吸附性能（2.05 mmol/g），循环稳定性达94%，成本降低20%，并验证电荷转移机制和协同效应。

　　

Nuradila Zahirah Mohd Azmi | Abdul Aziz Abdul Raman | Archina Buthiyappan

可持续过程工程中心（SPEC），马来西亚玛拉亚大学工程学院化学系，50603吉隆坡，马来西亚

摘要

将生物质废弃物转化为稳定、安全且经济的吸附剂是实现可扩展和可持续碳捕获的关键途径。本研究提出了一种由椰子壳制成的氧化镁（MgO）功能化活化碳氢化合物，通过综合实验、经济分析和密度泛函理论（DFT）对其循环捕获二氧化碳（CO₂的能力进行了评估。为了确定最有效的MgO功能化方法，研究了水热处理（HT）、湿法浸渍（WI）和固态分散（SS）。其中，固态分散法在二氧化碳吸附量达到2.05 mmol/g时表现出最佳的技术经济性，通过减少处理步骤和能耗降低了20%的捕获成本。优化结果表明，15%的MgO负载量是表面碱性与微孔结构保持之间的理想平衡。引入Mg-O-Mg功能团后，该复合材料的比表面积达到721.05 m²/g，且CO₂吸附能力在109°C和3.3 bar条件下达到最大值2.48 mmol/g，经过10次吸附-解吸循环后仍保持94%的效率，显示出优异的稳定性和长期运行的安全性。此外，分子建模证实了MgO与活化碳氢化合物之间的相互作用及结合能。研究结果表明，MgO功能化活化碳氢化合物的性能优于未功能化的材料，这归因于电荷转移的增强以及结合距离的减小（24%）。本研究证实了MgO功能化活化碳氢化合物作为一种有前景的废弃物衍生吸附剂，在提高捕获效率、降低成本和保障过程安全方面具有潜力。

引言

大气中二氧化碳（CO₂）浓度的不断上升是现代时代面临的重要环境和地缘政治挑战。主要由于化石燃料的燃烧，全球平均CO₂浓度已超过426 ppm，比工业化前水平上升了50%（Pernet等人，2025年）。扭转这一趋势对于遵守全球气候目标至关重要。碳捕获与封存（CCS）技术是任何综合性减缓措施的关键组成部分，尤其是针对工业等大型固定源。包括化工、水泥和石油精炼在内的重工业部门是全球温室气体（GHG）排放的主要来源。因此，开发技术上可行、可扩展且经济高效的燃烧后碳捕获系统是一项重要的工程挑战。

基于胺的水溶剂是燃烧后CO₂捕获的标准方法，但由于溶剂再生需要大量能源，这种方法存在局限性。通常，名义上的热再生能耗在每吨捕获CO₂ 3.5-4.5 GJ之间（Boot-Handford等人，2014年；Rochelle等人，2011年）。这种高能耗显著限制了第一代CCS系统的广泛应用。固态吸附剂作为一种有前景的替代方案，可以显著降低能源消耗。然而，现有的固态吸附剂也存在工业应用上的限制，如金属有机框架（MOF）和沸石通常具有复杂性高、制备成本高、结构稳定性差以及耐湿性差的问题（Ghanbari等人，2020年；Hu等人，2025年）。相比之下，基于碳的吸附剂（如活性炭（AC）具有更好的热稳定性和耐湿性，但主要依赖物理吸附，导致CO₂吸附能力较低且在高温下稳定性差（Soo等人，2024年）。先前的研究表明，将金属氧化物功能化到基于碳的吸附剂上可以改善其吸附性能，这归因于金属氧化物的高碱性和电负性（Zhou等人，2019年；Shahkarami等人，2016年；Hidayu和Muda，2016年）。此外，金属氧化物的引入形成了增强CO₂吸附的功能团（Li等人，2017年）。

优化金属氧化物在基于碳的吸附剂上的合成过程和负载浓度对于提升性能和确保经济性至关重要。然而，目前缺乏关于不同金属功能化方法对吸附能力影响的全面研究。因此，本研究探讨了金属氧化物负载浓度和功能化方法对生物质基活化碳氢化合物CO₂吸附效率的影响。通过湿法浸渍、固态悬浮和水热处理合成了三种MgO功能化活化碳氢化合物。选择MgO作为金属掺杂剂是因为其高表面碱性，可为酸性CO₂分子提供强化学吸附位点；椰子壳作为前体是因为其作为农业废弃物来源丰富，碳含量高且灰分低。通过物理化学表征评估了MgO功能化对材料性质的影响。使用高压体积分析仪（HPVA II）在不同条件下评估了CO₂捕获性能、循环耐久性和温度敏感性。此外，还进行了吸附等温线和量子化学分子建模，以研究MgO掺入活性炭对CO₂吸附性能的协同效应。通过将丰富的农业废弃物转化为可扩展的碳捕获吸附剂，本研究直接符合循环经济原则，促进了可持续的废弃物管理。通过引入简化的优化合成方法，本研究还旨在克服传统胺基系统的高能耗和制造成本限制。主要目标是开发一种高度稳定、经济可行的技术，适用于排放密集型行业的实际大规模应用。

材料

用于吸附剂制备的碳质原料为来自马来西亚雪兰莪州的椰子壳。镁前体包括六水合硝酸镁（Mg(NO₃)₂·6H₂O）和高纯度（99.9%）的MgO颗粒，分别从Chemiz Malaysia和中国上海Aladdin生化科技有限公司购买。超高纯度气体（氦气99.99%、CO₂ 99.8%）以及压缩空气由马来西亚Linde Sdn. Bhd公司提供。

制备方法的影响

在固定MgO负载量为15%的情况下，评估了三种不同的功能化方法的效果。该剂量旨在在引入足够多的碱性活性位点与保持微孔结构之间取得平衡，从而避免因金属过度聚集导致的孔堵塞。图2展示了标准环境条件下合成复合材料的CO₂吸附能力对比结果，显示出明显的差异（尽管幅度较小）。

结论与未来建议

本研究探讨了氧化镁功能化方法和负载浓度对活化碳氢化合物CO₂吸附能力的影响。结果表明，采用固态分散法并在MgO负载量为15%时获得了最佳效果。该方法在工业应用中最为实用，因为它在实现高CO₂吸附性能（2.05 mmol/g）的同时，通过消除复杂且能耗高的步骤提高了能源效率。

CRediT作者贡献声明

Archina Buthiyappan：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论设计、实验研究、概念构思。 Abdul Raman 教授 Ir. Dr Abdul Aziz：监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念构思。 Nuradila Zahirah Mohd Azmi：初稿撰写、方法论设计、数据分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢玛拉亚大学研究卓越基金（UMREG）（UMREG022-2024）提供的财务支持。