超重力法處理室內過量CO2的實驗研究

師小杰，劉有智，祁貴生，谷德銀

（中北大學山西省超重力化工工程技術研究中心，山西 太原 030051）

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超重力法處理室內過量CO2的實驗研究

師小杰，劉有智，祁貴生，谷德銀

（中北大學山西省超重力化工工程技術研究中心，山西 太原 030051）

分析了幾種常用的室內處理CO2氣體方法的優缺點，其中傳統方法吸收過程復雜且設備密封要求較高，雖然膜分離技術選擇性較好，但是常溫下壓降為5～30 kPa，穩定性差。基于超重力技術運行穩定，且濕床壓降僅為150 Pa的優勢，本文提出了超重力法對室內低濃度的過量CO2氣體進行處理，通過考察超重力因子、氣液比、氣體濃度對脫除效果的影響，確定了適宜的實驗脫除條件：超重力因子131，氣液比60。在適宜的實驗脫除條件下，超重力法對室內不同濃度CO2氣體的單次吸收率均達到26%以上且反應時間在0.1 s以內，經過8次循環CO2氣體濃度從13750 mg/m3下降到800 mg/m3以下，脫除率達到90%以上。因此，采用超重力法處理室內過量CO2氣體在技術上是可行的。

超重力法；室內過量CO2；超重力因子；脫除率

CO2是室內空氣污染的主要污染物之一[1]，新鮮空氣中CO2體積分數為0.04%，室內CO2體積分數約為0.07%，而人群密集處CO2濃度往往會比正常值高出數倍[2]。毒理學[3]研究表明，CO2體積分數達到0.10%時，人體有不適感，長期居住會感到難受、精神不振，甚至影響健康；達到1%時，人會有氣悶，頭昏，心悸；達到4%～5%時感到眩暈；達到6%以上時使人神志不清、呼吸逐漸停止以致死亡[4]。室內空氣中CO2的個體敏感性差異很大，病人和特殊工作人員（飛機駕駛員、核電廠工作人員等）對CO2敏感性更高[5]。因而，對室內過量CO2進行治理越來越成為熱門研究課題[6]。

利用CO2的弱酸性，使用堿性水溶液脫除過量CO2氣體是工業生產中最常用到的方法之一，配置堿性水溶液常用的堿源有NaOH、KOH、Na2CO3以及有機胺等，且工業吸收CO2所需時間往往較長[7]。常用的有機胺有一乙醇胺（MEA）、N-甲基二乙醇胺（MDEA）和空間位阻胺等，MEA反應產物氨基甲酸鹽具有較強腐蝕性；MDEA需加入多種添加劑才能緩解反應速率較慢的問題，價格極其昂貴；空間位阻胺法由國外科研機構（美國Exxon、日本三菱重工）提出，國內南化集團目前已工業化，雖吸收率高但結構復雜[8]。室內CO2濃度較工業中的來說要低很多，傳統技術對低濃度CO2的捕集比較困難，例如密封艙室內利用單羥乙胺溶液、氫氧化鋰和超氧化物作等為吸收劑進行吸收，由于過程繁冗且部分吸收劑有毒，所以吸收系統往往較為復雜且設備密封要求較高，而膜分離法和生物降解法還在實驗室研究階段[9-12]。超重力技術作為一種突破性的強化“三傳一反”過程的新技術[13-15]，其具有傳質效率高、液泛點低、處理量大、體積小、能耗低、微觀混合均勻、安裝方式靈活、易維修等優點[16]。為此，作者提出一種行之有效的吸收低濃度CO2的方法，采用實驗室自發研制的超重力機作為反應器，以NaOH溶液為吸收劑，對不同濃度的微量CO2氣體進行捕集，考察本方法對CO2氣體在低濃度范圍內的脫除效果，以指導今后的實際操作和研究工作。

1 實驗部分

1.1 實驗主要裝置及試劑

實驗主要裝置：超重力機一臺，實驗室自行研發；羅茨風機一臺，原平聯通風機廠； CO2便攜式檢測儀，REA Systems公司，型號PGM-50；離心泵一臺，石一泵業有限公司；

實驗所用試劑：NaOH（片狀工業純），青海堿業有限公司；CO2氣源（工業用氣），晉太氣體有限公司；濃鹽酸，天津市申泰化學試劑有限公司；酚酞試劑。

1.2 實驗流程

實驗流程如圖1所示，實驗所用CO2氣體來自CO2鋼瓶，CO2氣體由于壓力的作用由鋼瓶經減壓閥、氣體流量計進入緩沖罐，空氣由羅茨風機經氣體流量計進入緩沖罐，氣體經過充分混合均勻后，經過流量計進入超重力機；吸收液由儲液罐經離心泵和液體流量計進入超重力機，再經液體分布器噴灑到填料內緣，通過超重力場離心甩出。在填料層內，氣體經填料旋轉剪切，跟液體逆流接觸，進行充分接觸反應后，氣體由出氣口排出，液體由液體出口排出。在氣體進口和出口處分別留有取樣口，以檢測CO2體積分數。

圖1 實驗流程示意圖

操作參數：氣體流量（G）10～30 m3/h，進氣口氣體CO2的體積分數（?0）為（500～8500）×10-6，液體流量（L）40～700 L/h，NaOH濃度為0.2～2 kmol/m3，超重力因子在0～190，操作溫度為室溫。

1.3 分析測試方法

試驗中吸收液和原料氣體流量分別用液體和氣體轉子流量計測定；NaOH溶液實際濃度通過HCl標準溶液滴定后計算得到，滴定以酚酞作為指示劑；CO2脫除效率η定義為進出口CO2體積分數之差與進氣口CO2體積分數的比值，如式（1）。

2 結果與討論

通過上文提出的實驗方法跟實驗流程，分別從超重力因子[16]、氣液比、氣體濃度等方面考察了該實驗設備在不同濃度的NaOH溶液對CO2氣體脫除率的影響。

2.1 超重力因子對CO2氣體脫除率的影響

超重力因子β是用來衡量超重力場強弱的，是旋轉填料層平均離心加速度與常重力加速度之比，其積分化簡式如式（2）。

從圖2中可以看出，當其他實驗條件恒定，NaOH溶液濃度增大，CO2氣體脫除率略有增加，當超重力因子為21時，3種不同濃度NaOH溶液的脫除率差別不大，而隨著超重力因子的不斷增加，三者脫除率之間差值逐漸變大，當超重力因子達到131時，脫除率達到最大，超重力因子再增加到189時，脫除率下降，但不同濃度NaOH脫除率之間的差值與超重力因子等于131時的差值近似，其原因可能是：當超重力因子低時，填料對氣液流體的剪切作用較小，對氣液流場的擾動較小，填料間隙內氣膜與液膜內的單向傳質沒有被有效加強，因此不同濃度的NaOH溶液的脫除率相差不大；隨著超重力因子的增加，液體被剪切成更細的液絲、液滴和液膜，填料對液體的剪切效果提高，當超重力因子為131時近乎最佳；當超重力因子繼續增加，雖填料的剪切效果不變，但液體所受離心力的加大使液體在填料中的停留時間變短，氣液接觸不足，以致脫除率有所下降。

圖2 超重力因子β對CO2氣體脫除率的影響（氣液比75，入口CO2濃度1375 mg/m3）

圖3 氣液比對CO2氣體脫除率的影響（超重力因子131，入口CO2濃度1375 mg/m3）

2.2 氣液比對CO2氣體脫除率的影響

從圖3中得知，NaOH溶液濃度較高，其對CO2氣體的脫除率也就越高；氣液比由44逐步增大到60的過程中，NaOH溶液的脫除率緩慢提高，當氣液比大于60后，NaOH溶液的脫除率迅速變小。分析其原因可能是：當氣體流量一定時，增加氣液比意味著減小進液量，氣液比為300時，液體對填料的潤濕不足，氣液接觸面積小，只有部分潤濕的填料能與CO2氣體反應，NaOH溶液濃度的高低，決定了單位面積液膜中OH-的量，故在一定程度上影響了單位時間內參與反應的分子數量，濃度高的溶液單位面積的液膜內OH-的量也會增大，在單位時間內參與反應的分子數量高于濃度低的溶液[18]，因此脫除率略有升高；隨著氣液比的減小，液體流量增加，填料的潤濕面積不斷增加，液體在填料中的剪切越來越完全，當氣液比為60時，氣體、液體流量達到一個較為適宜的值，脫除率達到實驗點的最佳值；而氣液比的繼續增加，會有少量液體無法及時得到剪切，在填料層緩慢累積，相間接觸面積減少，從而影響氣液相之間的接觸與反應，因而脫除率緩慢下降；當液體流量一定時，增加氣液比意味著增大進氣量，而氣體流量決定了進口氣速，也決定了氣體在填料中的停留時間，在達到氣液平衡所用時間長于停留時間的前提下，停留時間加長有利于吸收率的提高，因而氣液比越大，脫除率越低。

2.3 入口氣體濃度對CO2氣體脫除率的影響

圖4中，脫除率隨入口氣體濃度的增加呈先增大后緩慢減小的趨勢，當氣體濃度在1000～4000 mg/m3時，脫除率基本保持在27%～30%，表明對略高于大氣標準濃度的CO2氣體依舊具有穩定的脫除率；當入口氣體濃度為11786 mg/m3時脫除率達到最大；而對于不同濃度的CO2氣體，單次脫除率均保持在26%以上。實際操作中，將濃度為13750 mg/m3的CO2氣體降至濃度800 mg/m3（大氣CO2氣體濃度近似值）以下，僅需進行8次循環處理，出口CO2氣體脫除率便達90%以上。

圖4 入口氣體濃度對CO2氣體脫除率的影響（超重力因子131，氣液比60）

3 結 論

采用超重力法處理室內空氣中的過量CO2氣體，影響其脫除率的主要因素為超重力因子和氣液流量。在室內環境中，其最佳操作參數：超重力因子131，氣液比60，在此條件下，本方法單次脫除效率穩定在26%以上，將室內CO2氣體濃度從13750 mg/m3下降到800 mg/m3以下僅需經過8次循環，脫除率便可達90%以上。對于傳統設備無法處理室內過量CO2氣體這一現狀，利用超重力機體積小、強化傳質的優勢，采用超重力法實現了對室內過量CO2處理這一難題的突破，快速脫除室內過量CO2氣體，對室內環境的凈化研究具有重要意義，可用于指導今后的實際操作，為進一步的實驗研究奠定基礎。

符 號 說 明

g——重力加速度，m/s2

r1——填料層的內半徑，m

r2——填料層的外半徑，m

ω——角速度，ω=2πN/60，s-1

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Experimental research on high gravity method treatment of excessive indoor CO2

SHI Xiaojie，LIU Youzhi，QI Guisheng，GU Deyin
（Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

This paper analyzes the advantages and disadvantages of several common methods dealing with indoor CO2. The traditional method of absorption is complex and requires a high degree of sealing device. Membrane separation technology has good selectivity，but at room temperature pressure drop is 5～30kPa and stability is poor. Based on the advantage of running stability and wet bed pressure drop of only 150Pa of high-gravity technology，this paper presents a method of using high-gravity technology to process indoor low concentration excessive CO2. By investigating high-gravity factor，gas-liquid ratio and gas concentration on removal effect，the the appropriate removal experiment condition is as follows：high-gravity factor is 131 and gas-liquid ratio is 60. Under the appropriate removal experiment condition，single cycle absorption rate for indoor different concentrations of CO2reaches more than 26%，reaction time is less than 0.1s，CO2concentration decreases from 13750 mg/m3to less than 800 mg/m3after 8 cycles and removal rate is up to 90%. Therefore，the high-gravity method to deal with indoor excessive CO2is feasible in technology.

high gravity method；indoor excessive CO2；high gravity divisor；removal rate

TQ 09

A

1000-6613（2014）04-1050-04

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.04.045

2013-08-30；修改稿日期：2013-10-18。

國家自然科學基金項目（21376229-21206153）。

師小杰（1986—）男，碩士研究生。聯系人：劉有智，教授，博士生導師。E-mail lyzzhongxin@126.com。