有机溶剂广泛应用于涂料、印刷、锂电池制造和制药等行业[1,2]。它们仍然是现代制造业的重要材料基础。然而，这些行业在生产过程中会释放大量挥发性有机化合物（VOCs）。在中国，每年的VOC排放量超过1200万吨，给环境控制带来了巨大压力，同时导致溶剂损失超过97亿美元，废气处理成本超过69亿美元[3]。目前政策框架中仍广泛推荐使用再生热氧化（RTO）和再生催化氧化（RCO）等破坏性减排技术[4,5]。本质上，这些方法仍然局限于提取、生产和处置的线性经济路径，每年导致超过2000万吨的直接碳排放。因此，工业VOC控制需要从破坏性减排转向资源回收，以便将高价值的气态污染物转化为可重复使用的液态有机溶剂，支持从线性经济向循环经济的转型。
现有的VOC回收技术主要包括吸收、膜分离、吸附和冷凝[6]。其中，吸收受到吸附剂高再生能量和二次污染潜在风险的制约[7]，而膜分离在膜寿命和选择性方面存在工程限制[1,8]。冷凝利用机械制冷或液氮来实现气体液化所需的低温[9,10]。这种方法通常应用于VOC浓度高、流量低的封闭捕获场景，如石油精炼、化工生产和制药制造。然而，在流量高、浓度低的开放捕获场景中[11,12]，直接低温液化会导致过高的能耗和严重的熵损失，因为热回收效率有限[13,14]。通过吸附进行气体预浓缩可以显著提高回收过程的总体能源效率[15,16]。由于浓缩难度、能源需求和所需驱动能量的等级因初始VOC水平而异，传统的能源消耗指标无法充分反映这些内在差异。因此，从热力学角度阐明不同浓度梯度下的气液相变能量转换机制至关重要。
将稀薄气态VOCs根据浓度梯度提升为高浓度甚至纯液态产品的物理过程，本质上类似于提升势能等级的泵。例如，水泵和热泵都依靠外部机械功或热能分别驱动流体势能和热能从低等级向高等级的逆向转换。受此启发，赵等人[17]在2017年提出了用于燃烧后CO2捕获的无机碳泵（ICP）的热力学概念，并制定了最小分离功和熵效率的计算方法[18]。后续研究系统评估了各种脱附方法的热力学性能[19]，探讨了热机和碳泵的解耦模型[20]、结合热能和质量回收的温度摆动吸附[21]、CO2捕获的热力学性能系数[22]以及循环参数对ICP性能的影响[24]。这些努力逐步建立了成熟的无机碳捕获热力学框架。然而，VOC回收与CO2捕获有根本不同。它不仅受到严格的排放浓度限制，还需要在气相和液相之间进行冷凝和液化。现有框架难以量化与此相变相关的热力学效益和成本[25,26]。这些物理和工程界限的显著差异使得现有的ICP理论无法直接应用于吸附和冷凝系统，因此需要开发一种新的、高度针对性的理论框架。
为解决工业VOC净化和回收中的未解决问题，本研究提出了一个核心概念：将稀薄气态有机碳浓缩并转化为高纯度液态溶剂的过程被概念化为有机碳泵（OCP）。这一概念引入了对排放浓度和冷凝浓度的双重约束，以确保污染控制和溶剂回收。因此，从热力学角度评估了浓缩过程的富集成本和能源效率。本研究首先定义了OCP的概念、边界和系统配置，然后建立了基于吸附的OCP的热力学、动力学和效率评估模型。在此基础上，分析了影响最小分离功的关键因素，开发了基于吸附的热力学循环和状态参数的图形框架，并研究了驱动能量质量对整体系统效率的影响。本研究旨在为工业VOC的增值提供统一的热力学框架和评估方法，从而推动工业碳减排路径从下游的无机碳捕获向上游的有机碳利用转变。
