随着全球碳排放量持续攀升（2023年达37.4 Gt），燃煤电厂作为最大点源（贡献电力部门73%排放）的碳捕集技术成为研究热点。固体胺吸附剂因其高吸附容量、适中吸附热和耐水性优势，被视为最具前景的CO2捕集材料之一。然而现有研究对吸附动力学机制认识不足：传统模型（准一级、准二级、Avrami等）仅能描述宏观吸附速率，无法解释胺负载量超过阈值后吸附性能骤降、低温下"长尾效应"等现象。这些认知空白严重制约了高性能吸附剂的定向设计。
为揭示微观吸附机制，Wang Shun等人在《Carbon Capture Science》发表研究，创新性地建立了双区域动力学模型。研究采用热重分析（TGA）测定不同温度（30-120°C）和PEI负载量（0.3-0.55）下的CO2吸附曲线，通过比表面积分析（BET）表征孔隙结构变化，结合有限元法求解包含内扩散、胺层扩散的多尺度传质方程。关键创新在于将胺区划分为"开放胺区"（径向扩散主导）和"封闭胺区"（轴向扩散控制），并首次量化了二者比例对吸附动力学的影响。
【材料与方法】
研究选用HP20树脂（粒径0.8-0.9 mm）为载体，通过真空浸渍法负载不同量PEI-600（分子量600），制备xR20系列吸附剂（x为胺负载量）。采用元素分析测定实际胺含量，TGA在15% CO2/N2气氛下记录吸附动力学曲线，ASAP2460分析孔隙结构演变。模型构建方面，结合Langmuir吸附方程与Fick扩散定律，用MATLAB求解考虑胺层内浓度梯度的偏微分方程组。
【温度影响机制】
30-120°C吸附实验显示：低于70°C时存在明显长尾现象，20分钟内未达平衡；高温区（>90°C）吸附量快速下降但更快达平衡。脱附实验表明：90°C以上时20分钟内可完全脱附，呈现物理吸附特征。模型拟合揭示开放胺区占比（a）呈"先升后降"趋势，70°C时达峰值，这与CO2在PEI中扩散系数（Din）的突变温度点（70°C）高度吻合。
【胺负载量效应】
当负载量<0.5时，吸附容量与氮效率（qN）随负载量线性增加；但超过理论最大值0.53后（如0.55R20），吸附量反降23%。孔隙分析表明：负载量>0.5时≤20 nm微孔完全堵塞，SEM显示胺层覆盖载体表面。模型参数显示0.3-0.5负载量下吸附速率常数（k）保持稳定（约0.03 m3/(s·kg)），而0.55R20骤降至0.01，证实过量胺导致扩散通道阻塞。
【扩散控制分析】
极端条件（30°C）计算表明：外扩散对表面浓度影响可忽略（Cs/CG>0.99），但内扩散效率因子（η）初始仅0.32。开放胺区模拟显示：0.01秒后浓度梯度基本消失，平均浓度达外部97.6%，证明该区域吸附不受扩散限制；而封闭胺区在20分钟后仍存在显著浓度梯度，部分胺位点未接触CO2。
该研究首次从传质角度阐明了"负载量-温度-吸附性能"的构效关系，突破传统吸附模型仅依赖经验参数的局限。实践意义在于：指导载体应选择大孔结构（缩短L值）和高扩散系数胺类（提高Din），避免负载量超过0.5导致性能劣化。模型普适性验证显示：适用于不同胺类（TEPA/PEI）、载体和CO2分压（1-15%）条件，为工业吸附剂开发提供了定量设计工具。未来可结合分子模拟进一步揭示CO2在胺层中的扩散微观机制。