淺談有機胺DEAE法脫碳技術

殷 暢

（青島大學化學化工學院，山東 青島 266071）

由于火力發電廠等高耗能行業大量燃燒化石燃料，造成溫室氣體CO2的大量排放。對煙氣進行脫碳處理，是控制溫室氣體排放、防止氣候變化危害的一種有效措施。煙氣脫碳技術多種多樣，其中有機胺法是應用較廣泛的一種技術[1]。

1 有機胺法脫碳簡介

有機胺法脫碳多選用醇胺吸收液。醇胺分子中至少含有一個羥基和一個氨基，羥基可降低化合物的蒸氣壓并增加其水溶性，胺基則為吸收液提供一定的堿度，以促進其對酸性氣體的吸收[2]。有機胺分子中的氮原子連接兩個氫原子時稱為伯胺，連接一個氫原子時稱為仲胺，無氫原子連接時稱為叔胺，工業脫碳中較為常用的伯胺是一乙醇胺 （MEA），仲胺是二乙醇胺（DEA），叔胺是甲基二乙醇胺（MDEA）。其中伯胺和仲胺與CO2反應相對較快，生成的氨基甲酸鹽化學性質較穩定，解吸時能耗較高，最大酸氣負荷為0.5mol/mol，而叔胺與CO2反應相對較慢，生成的碳酸氫鹽在解吸時能耗較低，最大酸氣負荷為1mol/mol[3]。

2 DEAE法脫碳技術

為滿足脫碳的需求，人們不斷尋找吸收能力更大、吸收速率更快、循環周期更長、性質更穩定、毒性和腐蝕性較小或者沒有、解吸能耗更低的胺。叔醇胺DEAE是無色液體，微有氨味，可溶于乙醇和水中。以乙醇為原料可以制取二乙胺，乙烯氧化可以制取環氧乙烷，二乙胺和環氧乙烷反應即可制取DEAE，乙烯則可由乙醇脫水制備，因此用乙醇為主要原料即可制備DEAE，而乙醇可從農產品或殘渣中制取，即DEAE的制取較為綠色[3]。Chowdhury等[4]認為以往的大部分研究都集中于 MEA、DEA、MDEA、TEA（三乙醇胺）等單一胺或者其混合胺上，卻忽略了新型胺，因此選取了21種商業叔胺（包括MDEA）和3種合成叔胺與MDEA進行綜合對比，從中篩選出了七種具備較高吸收率和循環能力、較低或者相當的反應熱的叔胺，DEAE即是其中之一。高紅霞[5]等對六種不同的胺在吸收負載、吸收速率、解吸速率、循環容量、相對再生能耗等方面進行綜合對比，發現DEAE性能較為優越。

因DEAE屬于叔胺，其本身與CO2反應相對較慢，在叔胺吸收液中加入活化劑不僅能提高與CO2的反應速率，也可降低解吸時的能耗[4]。 哌嗪（PZ）是近年來較為常用的活化劑，Vaidya等[3]研究了 PZ對DEAE的活化效果，發現即使在DEAE吸收液中加入很少量的PZ，也可以較大幅度地提高其吸收CO2的速度。

關于叔胺吸收CO2的機理，目前大部分學者比較認同的是叔胺與CO2的反應是基于 Donaldson等[6]提出的堿催化水合機理，即叔胺的氮原子上無氫原子，不能向伯胺和仲胺一樣與CO2直接反應生成氨基甲酸鹽，而是催化水分子解離，使水分子失去質子，然后與CO2發生反應。Vaidya[3]等認為 PZ活化 DEAE的反應機理是DEAE與CO2和PZ與CO2之間的平衡反應，在DEAE與CO2屬于擬一級快速反應的條件下，通過實驗數據計算出303K時該反應的二級速率常數平均值為173m3/(kmol·s)。 但 是 Kierzkowska-Pawlak[7]發 現 Vaidya等與Littel等[8]的研究結果相差較大，因此再次對此問題進行研究，按照其測量的數據所計算出的動力學數據可以很好的符合堿催化水合機理，計算出的二級速率常數與Littel等[8]研究結果比較接近，而與 Vaidya等[3]的研究結果相差較大。

3 結語

我國是能源消耗大國，目前及未來較長的時間內能源結構以煤為主，溫室氣體CO2的排放成為一大問題，因此研究新型有效的脫碳技術來減少碳排放具有重要的意義。

［1］Li X,Wang S,Chen C. Experimental study of energy requirement of CO2 desorption from rich solvent[J].Energy Procedia,2013,37:1836-1843.

［2］陸詩建,李清方,張建.醇胺溶液吸收二氧化碳方法及反應原理概述[J].科技創新導報,2009(13):4-5.

［3］Vaidya P D,Kenig E Y.Acceleration of CO2reaction with N,N-diethylethanolamine in aqueous solutions by piperazine[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2008,47(1):34-38.

［4］Chowdhury F A,Yamada H,Higashii T,et al.CO2capture by tertiary amine absorbents:a performance comparison study[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2013,52(24):8323-8331.

［5］高紅霞,劉森,徐彬,等.N,N-二乙基乙醇胺 (DEEA)溶液CO2吸收解吸性能的實驗研究[J].化工學報,2015,66(9):3739-3745.

［6］Donaldson T L, Nguyen Y N. Carbon dioxide reaction kinetics and transport in aqueous amine membranes[J].Industrial&Engineering Chemistry Fundamentals,1980,19(3):260-266.

［7］Kierzkowska-Pawlak H. Kinetics of CO2absorption in aqueous N,N-diethylethanol amine and its blend with N-(2-aminoethyl) ethanolamine using a stirred cell reactor[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2015,37:76-84.

［8］Littel R J,Van Swaaij W P M,Versteeg G F.Kinetics of carbon dioxide with tertiary amines in aqueous solution[J].AIChE journal,1990,36(11):1633-1640.