碳酸鉀—乙醇胺復合溶液吸收煙氣中CO2的實驗研究

李建強

(東營職業學院，山東 東營 257091)

CO2是造成“溫室效應”、導致全球氣候變暖、破壞大氣環境的主要污染物[1]，同時又是一種重要的工業資源，廣泛應用于工業、農業、食品、醫療等領域，與人民生活密切相關[2～5]。隨著能源的日益緊張和大氣環境的不斷惡化，富集并安全貯存燃料燃燒釋放的CO2，將其作為“潛在的碳資源”加以開發利用，是一種迅速大量減少CO2排放量的有效手段。

目前回收煙氣中CO2的主要方法為化學吸收法，其常用溶劑為醇胺、氨水、碳酸鉀等堿劑，而新型復合吸收劑的篩選已成為化學吸收法的研究熱點[6～9]。隨著傳統的熱鉀(鈉)堿法不斷發展，涌現出很多改良工藝，這些工藝在熱碳酸鉀溶液中添加不同的活化劑，以加快CO2的吸收和再生速度，具有吸收量大、腐蝕性小、選擇性高、起泡低、再生能耗低等特點，基本不用添加緩蝕劑，優勢十分明顯，市場前景廣闊[5，10]。

作者在此用碳酸鉀與乙醇胺配制不同配比的復合溶液，研究其對煙氣中CO2的吸收特性和再生性能，篩選最佳配比的復合溶液，為工業應用提供參考。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

碳酸鉀、乙醇胺(MEA)均為分析純，醫用蒸餾水。

LB-2020B型智能電子皂膜流量計；雷磁PHS-3C型精密pH計；JJ-1型精密增力電動攪拌器；單孔電熱恒溫水浴鍋；CO2鋼瓶；N2鋼瓶。

1.2 方法

1.2.1 吸收

吸收實驗裝置如圖1所示。

圖1 吸收實驗裝置

在40 ℃下，將流量為4 mL·s-1的模擬煙氣(打開N2及CO2減壓閥，通過皂膜流量計和轉子流量計對混合氣進行標定，其中CO2占15%)通入350 mL的吸收液中，將混合氣反應探頭放入反應器中，設定攪拌轉速，開始計時，每隔5 min 記錄1次數據(進出口流量和pH值、mV值)，直至吸收達到飽和。吸收速率根據PΔV=nRT進行計算，為溶液每秒吸收CO2的物質的量。

1.2.2 再生

再生實驗裝置如圖2 所示。

將富液吸收瓶放入油浴再生反應器中，設定溫度進行再生，用飽和Ca(OH)2溶液吸收再生氣。利用皂膜流量計測定再生氣速率，當氣體流量小于5 mL·min-1時，再生結束。

2 結果與討論

圖2 再生實驗裝置

2.1 碳酸鉀溶液的吸收效果

以吸收速率和吸收量為考核指標，考察不同濃度的碳酸鉀溶液對煙氣中CO2的吸收效果，結果見圖3。

圖3 碳酸鉀溶液對煙氣中CO2的吸收效果

由圖3a、b可以看出,隨著吸收的進行，吸收速率逐漸減慢，同時，吸收量不斷增大，不同濃度組的變化趨勢大致相同，且吸收量是隨著K2CO3溶液濃度的增加而增大的。

綜合考慮，純碳酸鉀溶液不適合應用于工業生產，主要是因為水解程度不夠，導致吸收液沒有足夠的OH-與CO2反應，吸收速率太慢，吸收量太小。

2.2 碳酸鉀—乙醇胺復合溶液的吸收效果

考察不同配比的碳酸鉀-乙醇胺復合溶液對煙氣中CO2的吸收效果，結果見圖4。

圖4 碳酸鉀-乙醇胺復合溶液對煙氣中CO2的吸收效果

由圖4a、b可以看出，不同配比碳酸鉀-乙醇胺復合溶液的CO2吸收量差異很大，隨著乙醇胺量的增加，CO2吸收量先增后減，0.6 mol·L-1碳酸鉀-0.4 mol·L-1乙醇胺的吸收量最大。同時，初始CO2吸收速率逐漸加快，但溶液吸收速率隨吸收時間的變化幅度增大。表明溶液維持一定吸收速率的能力變差。分析原因為：混合溶液中存在交互作用。吸收初始，CO2吸收速率較快,乙醇胺可以與CO2快速地結合成氨基甲酸鹽，同時游離胺與水之間的氫鍵增強了反應的活性，促進了CO2的水化，進而加快了碳酸鉀對CO2的吸收。若乙醇胺量過少，就沒有足夠的乙醇胺作為緩沖媒介及活化劑，吸收效果不會太好；同時，若碳酸鉀量過少，吸收效果也會有限。

由圖4c、d可以看出，隨著反應的進行，pH值逐漸減小，吸收量相應增大，吸收速率起初較快，而后下降明顯，不同配比復合溶液的變化趨勢類似。分析原因為：吸收初始，溶液中氨基和OH-的濃度較高，吸收速率維持在較快的水平，但液相的pH值減小很快；隨著吸收的進行，乙醇胺反應較快，消耗較多，對吸收速率的影響較大，此時吸收速率隨pH值的減小明顯減慢；碳酸鉀與CO2的反應是吸收主要部分，吸收量變化相對平緩。

對于不同配比的復合溶液，飽和時的pH值不同，其中0.9 mol·L-1碳酸鉀-0.1 mol·L-1乙醇胺的pH值最大，0.5 mol·L-1碳酸鉀-0.5 mol·L-1乙醇胺的最小。由圖4c、d也可以看出，隨著乙醇胺量的增加，吸收速率逐漸加快，吸收量先增后減，0.6 mol·L-1碳酸鉀-0.4 mol·L-1乙醇胺的吸收量最大。可見，適量的乙醇胺可以加深反應程度，使反應進行得更徹底。

綜合考慮吸收速率和吸收量，0.6 mol·L-1碳酸鉀-0.4 mol·L-1乙醇胺復合溶液的吸收效果最好。

2.3 吸收效果的比較

就0.6 mol·L-1碳酸鉀溶液、0.4 mol·L-1乙醇胺溶液、0.6 mol·L-1碳酸鉀-0.4 mol·L-1乙醇胺復合溶液對煙氣中CO2的吸收效果進行比較，結果見圖5。

圖5 碳酸鉀溶液、乙醇胺溶液、碳酸鉀-乙醇胺復合溶液對煙氣中CO2吸收量的比較

由圖5可以看出，0.6 mol·L-1碳酸鉀溶液對CO2的飽和吸收量為0.015 mol，0.4 mol·L-1乙醇胺溶液對CO2的飽和吸收量為0.078 mol，0.6 mol·L-1碳酸鉀-0.4 mol·L-1乙醇胺復合溶液對CO2的飽和吸收量為0.185 mol。可見，復合溶液對CO2的飽和吸收量要大于兩單組分溶液對CO2飽和吸收量的和，表明碳酸鉀、乙醇胺在吸收過程中存在正交互作用。

2.4 碳酸鉀—乙醇胺復合溶液的再生

對于工業應用的吸收體系而言，再生溫度反映了吸收溶液再生需要的熱負荷，再生率反映了吸收溶液可循環利用的性能。因此，再生溫度、再生率是反映吸收體系再生效率的兩個重要性能指標。碳酸鉀—乙醇胺復合溶液的再生溫度及再生率見表1。

由表1可見，對于碳酸鉀—乙醇胺復合溶液，隨著溶液中乙醇胺濃度的增大，石灰水變渾濁的溫度先降低后升高，但都低于80 ℃，遠低于純碳酸鉀溶液的石灰水變渾濁溫度(98 ℃)，同時再生溫度大多高于105 ℃，但仍低于純碳酸鉀溶液再生溫度(118 ℃)。這說明復合溶液再生需要的熱負荷低于純碳酸鉀溶液的熱負荷。其中0.6 mol·L-1碳酸鉀-0.4 mol·L-1乙醇胺再生溫度最低(105 ℃)，再生率最高(98.8%)。

表1 碳酸鉀—乙醇胺復合溶液的再生溫度及再生率

綜合吸收和再生情況，確定0.6 mol·L-1碳酸鉀-0.4 mol·L-1乙醇胺為最佳復合溶液。

3 結論

(1)研究了碳酸鉀溶液、碳酸鉀-乙醇胺復合溶液對煙氣中CO2的吸收效果，純碳酸鉀溶液的吸收效果較差，但加入適量乙醇胺溶液后，吸收效果明顯得到改善。

(2)碳酸鉀、乙醇胺在吸收過程中存在正交互作用，部分復合溶液的吸收效果甚至好于同濃度純碳酸鉀溶液和純乙醇胺溶液的吸收效果之和。

(3)綜合吸收和再生情況，確定0.6 mol·L-1碳酸鉀-0.4 mol·L-1乙醇胺為最佳復合溶液，其飽和吸收量最大(0.185 mol)、再生溫度最低(105 ℃)、再生率最高(98.8%)。

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