Junchao Xu, Mingliang Wang, Zhe Kong, et al. Competitive condensation of water vapor among fine particles under pressurized conditions for CO2 capture from oxy-fuel combustion flue gas. Separation and Purification Technology, 2026, 403:138738.
论文简介：为了从富氧燃烧烟气中实现高纯度CO2捕集，高效脱水和去除细颗粒物是先决条件。超声速分离技术能够诱导水蒸气在颗粒表面发生非均相凝结，因此极具应用前景。然而，在加压条件下，水蒸气在不同颗粒之间的竞争凝结机理尚不明确。本文采用分子动力学（MD）模拟，系统研究了在0.1-1 MPa压力范围内，颗粒尺寸、润湿性、表面缺陷和聚集模式对水分子竞争凝结的影响。结果表明：加压显著提高了凝结量、凝结速率以及稳定团簇的数量，同时加剧了不同尺寸、润湿性、缺陷和聚集状态的颗粒之间的竞争。此外，凝结速率随压力升高而增加的规律与SiO2-H2O相互作用能的增强高度一致，揭示了压力促进凝结的能量机制。值得注意的是，与经典开尔文理论预测相反，凸缺陷表面的性能优于凹缺陷表面，在1 MPa下的凝结率分别为66.3%和22.0%，并持续抑制凹缺陷处的成核。在聚集模式方面，闭合环状聚集体的几何限制效应最强，在1 MPa下凝结率达到53.2%，而线状聚集体仅为39.7%。原位ESEM实验进一步证实水分子优先在颗粒结合处及三颗粒环中心成核，与模拟结果吻合良好。本文为提升超声速分离器中水蒸气凝结效率及细颗粒物脱除效率提供了理论依据
。
重要结论：本文通过分子动力学模拟，系统揭示了加压条件下水蒸气在不同特性颗粒表面的竞争凝结机理。主要结论如下：
(1) 压力是驱动竞争凝结的关键热力学因素。加压显著提高了水蒸气的过饱和度和分子碰撞频率，导致凝结水量、团簇数量和凝结速率大幅上升，同时进一步放大了不同颗粒之间对水蒸气的竞争差异。在有限的水蒸气环境中，较大颗粒始终表现出更强的凝结能力。随着压力和颗粒数量的增加，这一优势愈加明显。
(2) 润湿性和聚集形态共同调控竞争凝结。在单颗粒竞争中，高润湿性表面因其较低的接触角而占据优势。然而，当低润湿性颗粒形成多颗粒聚集体（尤其是闭合环状结构）时，其几何受限空间诱发的毛细凝结效应可产生更强的局部水蒸气富集，从而实现更高的总凝结量。
(3) 凸缺陷表面在纳米尺度上表现出与经典开尔文理论预测相反的动力学特征。尽管凹表面的平衡蒸气压更低，但凸表面与气相接触更充分，更容易率先形成稳定凝结层和临界团簇，从而获得先发优势，并持续抑制后续在凹表面上的成核与生长。多颗粒体系进一步促进了团簇的合并与稳定生长，使得凸缺陷在加压条件下的优势更为显著。
(4) 颗粒聚集形态是决定水蒸气凝结效率的关键结构因素。与线性结构（如双颗粒）相比，闭合环状结构（如三颗粒环）产生更强的空间限域效应和毛细凝结效应，在加压条件下表现出最高的水蒸气竞争凝结能力。ESEM结果表明，水蒸气优先在双颗粒和三颗粒的结合处成核，而胚胎优先在三颗粒环结构的中心区域形成，验证了结构限域空间在竞争凝结中的决定性作用。
(5) 在所有涉及颗粒尺寸、润湿性、缺陷及聚集形态的比较中，水分子凝结速率随压力上升而增加的趋势，与
SiO2-H2O
相互作用能随压力升高而增强高度一致。这表明相互作用能的增强是水蒸气凝结增强的微观能量根源。
