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关键词：CO2捕集；纳米流体；TiO2；COMSOL；气液传质

一、文章简要介绍

二氧化碳捕集是碳中和的关键环节，传统胺溶液吸收剂有腐蚀设备、再生耗能高的毛病。这篇Scientific Reports文章换了个思路：往水里加二氧化钛纳米粒子，让纳米流体去吸收高压CO2，并用COMSOL把整个过程算出来。作者来自阿联酋大学，文章2021年发表在Scientific Reports第11卷1984篇，DOI：10.1038/s41598-021-81406-1。

纳米粒子为什么能帮忙？论文考虑了两种机理：一种是微对流，纳米粒子布朗运动搅动周围液体，让气液传质变快；另一种叫穿梭机理，纳米粒子来回跑，在气液界面吸CO2、回到液体深处再放出来。模型把釜内分成气体区、液体区和粒子周围的密相区三个子域，在柱坐标里解瞬态传质方程。

图1 高压搅拌釜实验装置与建模区域示意：气体区、液体区与纳米粒子密相区

图1是实验装置示意：高压搅拌釜里放500毫升水基纳米流体，抽真空后充纯CO2，磁力搅拌器控制转速，夹套循环水控温。纳米流体用超声处理器分散30分钟以上保证均匀。

二、仿真步骤

步骤一：写出三个区域的传质方程。气体区CO2靠扩散输运；液体区是普通组分扩散；密相区多了一项粒子表面的吸附汇项。界面处用摩尔通量衔接，粒子表面的吸附量用Langmuir等温线描述。

步骤二：确定关键参数。布朗扩散系数用Einstein-Stokes公式算，和温度成正比、和黏度粒径成反比；体积传质系数由实验拟合；混合速率用转速乘圆周率换算。

图2 COMSOL算出的CO2浓度分布随时间演化：气相浓度从80降到约50摩尔每立方米，液相浓度随吸收上升

图2是模型算出来的浓度场，这是论文里最有画面感的结果。气体区初始浓度80摩尔每立方米，随时间降到50左右；液体区浓度一路上升，搅拌能让浓度分布更均匀。

步骤三：在COMSOL里用有限元解方程组。模型是轴对称的二维近似，时间上做瞬态求解，把每个时刻的压力和浓度都算出来，再和实验点对比。

图3 不同TiO2浓度下CO2压力随时间变化：实验点与模型曲线对比，120转每分钟

图3先看浓度的影响。0.1wt%左右效果最好，再往上加粒子，吸收率反而下降。原因是粒子太多会互相挤，自由间距变小、布朗运动被抑制，液体黏度也变大。

三、关键结果与发现

第一个结果：TiO2浓度有个最优窗口。低于0.005wt%粒子太少没作用，0.005到1wt%区间吸收率随浓度上升，超过临界值后粒子间距变小、局部对流减弱，吸收率掉头向下。

第二个结果：混合转速不是越快越好。转速常数从0提到0.1，60分钟后釜内压力从171千帕降到166千帕；再从0.1提到0.2只多降1千帕。中速搅拌让粒子充分接触CO2又不打散气液界面。

图4 无搅拌工况下模型预测与文献实验对比：不同TiO2浓度、10纳米粒径、25度

图4是模型和文献数据的对照，零搅拌工况下模型曲线和实验点基本重合，说明方程写对了。

第三个结果：初始气压越高吸收越快。压力增大浓度梯度，驱动力变强；高气压还会压碎粒子团聚，露出更多吸附表面。

图5 混合速率对CO2压力下降的影响：转速从0升到0.1效果明显，再往上收益变小

图5展示转速的影响规律，中速区是性价比最高的操作点。

第四个结果：粒径越小越高效。Einstein-Stokes公式里扩散系数和粒径成反比，10纳米的粒子比大粒子跑得快、传质贡献大，模拟和文献数据都支持这个结论。

图6 初始气压对压降速率的影响：无搅拌、10纳米、0.1wt%负载

图6是无搅拌下不同初始压力的压降曲线，斜率随初始压力明显变陡。

图7 粒径对CO2吸收的影响：模型预测与文献实验一致，10纳米最优

图7对比不同粒径的模型预测与文献实验，10纳米粒径的压降最快。

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真服务：①COMSOL多物理场建模与仿真；②气液传质与反应器模拟；③纳米流体传热传质分析；④CO2捕集工艺仿真咨询。如有类似模拟需求，欢迎私信聊聊。