随着全球温室气体排放持续增加，燃煤电厂等工业排放源的二氧化碳（CO₂）捕集与资源化利用已成为实现“双碳”目标的重要技术途径。目前，化学吸收法虽然已实现工业应用，但普遍存在溶剂再生能耗高、设备腐蚀严重等问题；膜分离、吸附及低温分离等技术则不同程度受到选择性不足、运行成本高或工况适应性差等因素限制。笼形化合物分离技术依靠不同气体形成笼形化合物热力学条件的差异，实现CO₂的选择性富集，具有环境友好、流程简单和能耗较低等优势。然而，传统促进剂体系仍存在形成条件苛刻、选择性有限以及压缩制冷能耗较高等问题，制约了其工业应用。

针对上述难题，华南理工大学化学与化工学院樊栓狮、王燕鸿团队提出了一种硫酸胍（Gua₂SO₄）促进的笼形化合物碳捕集新策略。研究利用硫酸胍能够与CO₂形成稳定笼形结构的特点，系统考察了烟气（14.8 mol% CO₂/85.2 mol% N₂）体系的相平衡特性、CO₂分离性能及能耗优化，并结合Aspen HYSYS流程模拟，对工业化碳捕集过程进行了系统能耗评估，构建了兼具高选择性和低能耗的新型碳捕集体系。

相平衡研究表明，72 wt%硫酸胍能够显著改善CO₂笼形化合物形成条件。相比传统TBAB和TBAF等有机盐促进剂，硫酸胍体系具有更低的平衡压力和更高的平衡温度，表现出更优异的热力学促进能力和CO₂选择性。这意味着在较温和的条件下即可实现CO₂优先形成笼形化合物，为降低压缩能耗和制冷负荷奠定了基础。

图1. Gua₂SO₄体系与传统促进剂体系相平衡条件比较

实验结果表明，压力和温度共同决定了CO₂捕集性能。当温度为280.6 K、压力为3.0 MPa时，体系获得最佳综合分离效果：笼形化合物相中CO₂浓度达到81.4 mol%，CO₂捕集率达到63.1%，分离因子达到55.0。进一步提高压力虽然能够增加气体消耗量，但会促进更多N₂进入笼体，降低体系选择性；降低温度则能够增强形成驱动力，提高CO₂捕集率，但同时也会使少量N₂参与包合。因此，适中的反应压力与温度能够实现捕集效率和选择性的最佳平衡。

图2. 不同压力和温度条件下Gua₂SO₄体系CO₂捕集性能变化

研究进一步考察了气液体积比（Gas/Liquid Ratio，Rv）对分离性能的影响。结果发现，较高的气液比虽然增加了气液接触面积和总气体处理能力，但由于液相不足，CO₂捕集率明显下降；较低气液比则能够提高CO₂捕集率，却限制了处理规模。综合比较发现，当Rv约为77时，体系兼顾较高的CO₂富集浓度、捕集效率和分离选择性，为后续工业化连续运行提供了合理工艺参数。

图3. 气液比对CO₂捕集率及分离性能的影响

为了进一步评价工业应用潜力，研究基于实验数据建立了Aspen HYSYS连续碳捕集流程模型，对压缩、制冷、循环泵及搅拌等单元进行了系统能耗分析。结果表明，在未进行能量回收条件下，CO₂捕集能耗约为0.91 kWh/kg CO₂；通过回收高压尾气压力能和冷能，并优化压缩与制冷流程后，系统能耗进一步降低至0.69 kWh/kg CO₂。当操作压力进一步降低至2.0 MPa时，最低能耗可降至0.56 kWh/kg CO₂，明显低于目前多数文献报道的水合物法碳捕集工艺，充分展现出硫酸胍促进体系在低能耗碳捕集方面的突出优势。

图4. Gua₂SO₄笼形化合物碳捕集流程

研究认为，硫酸胍能够通过其独特的离子结构与CO₂之间形成稳定的静电作用，促进CO₂优先进入笼形化合物，而N₂几乎不参与包合，从而实现高效选择性分离。同时，较温和的相平衡条件降低了压缩与制冷负荷，结合能量回收工艺，可进一步减少整体运行能耗。该研究首次将新型硫酸胍笼形化合物体系、烟气CO₂选择性捕集及流程能耗优化有机结合，为发展绿色、低能耗、高选择性的工业烟气碳捕集技术提供了新的研究思路，也为笼形化合物技术在碳减排领域的工程应用奠定了理论基础。

相关成果以 “Low-energy CO₂ capture via guanidinium sulfate clathrate from flue gas”为题发表在国际期刊Gas Science and Engineering。论文通讯作者为华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授，第一作者为博士生王冲威，论文作者还包括王燕鸿副研究员、郎雪梅副研究员、陈思远博士后和李刚教授等。本研究得到国家自然科学基金（项目编号：U25A20275）资助。