碳酸钾—乙醇胺复合溶液吸收烟气中CO2的实验研究

2012-07-28李建强

化学与生物工程 2012年10期

李建强

(东营职业学院，山东东营 257091)

CO2是造成“温室效应”、导致全球气候变暖、破坏大气环境的主要污染物[1]，同时又是一种重要的工业资源，广泛应用于工业、农业、食品、医疗等领域，与人民生活密切相关[2～5]。随着能源的日益紧张和大气环境的不断恶化，富集并安全贮存燃料燃烧释放的CO2，将其作为“潜在的碳资源”加以开发利用，是一种迅速大量减少CO2排放量的有效手段。

目前回收烟气中CO2的主要方法为化学吸收法，其常用溶剂为醇胺、氨水、碳酸钾等碱剂，而新型复合吸收剂的筛选已成为化学吸收法的研究热点[6～9]。随着传统的热钾(钠)碱法不断发展，涌现出很多改良工艺，这些工艺在热碳酸钾溶液中添加不同的活化剂，以加快CO2的吸收和再生速度，具有吸收量大、腐蚀性小、选择性高、起泡低、再生能耗低等特点，基本不用添加缓蚀剂，优势十分明显，市场前景广阔[5，10]。

作者在此用碳酸钾与乙醇胺配制不同配比的复合溶液，研究其对烟气中CO2的吸收特性和再生性能，筛选最佳配比的复合溶液，为工业应用提供参考。

1 实验

1.1 试剂与仪器

碳酸钾、乙醇胺(MEA)均为分析纯，医用蒸馏水。

LB-2020B型智能电子皂膜流量计；雷磁PHS-3C型精密pH计；JJ-1型精密增力电动搅拌器；单孔电热恒温水浴锅；CO2钢瓶；N2钢瓶。

1.2 方法

1.2.1 吸收

吸收实验装置如图1所示。

图1 吸收实验装置

在40 ℃下，将流量为4 mL·s-1的模拟烟气(打开N2及CO2减压阀，通过皂膜流量计和转子流量计对混合气进行标定，其中CO2占15%)通入350 mL的吸收液中，将混合气反应探头放入反应器中，设定搅拌转速，开始计时，每隔5 min 记录1次数据(进出口流量和pH值、mV值)，直至吸收达到饱和。吸收速率根据PΔV=nRT进行计算，为溶液每秒吸收CO2的物质的量。

1.2.2 再生

再生实验装置如图2 所示。

将富液吸收瓶放入油浴再生反应器中，设定温度进行再生，用饱和Ca(OH)2溶液吸收再生气。利用皂膜流量计测定再生气速率，当气体流量小于5 mL·min-1时，再生结束。

2 结果与讨论

图2 再生实验装置

2.1 碳酸钾溶液的吸收效果

以吸收速率和吸收量为考核指标，考察不同浓度的碳酸钾溶液对烟气中CO2的吸收效果，结果见图3。

图3 碳酸钾溶液对烟气中CO2的吸收效果

由图3a、b可以看出,随着吸收的进行，吸收速率逐渐减慢，同时，吸收量不断增大，不同浓度组的变化趋势大致相同，且吸收量是随着K2CO3溶液浓度的增加而增大的。

综合考虑，纯碳酸钾溶液不适合应用于工业生产，主要是因为水解程度不够，导致吸收液没有足够的OH-与CO2反应，吸收速率太慢，吸收量太小。

2.2 碳酸钾—乙醇胺复合溶液的吸收效果

考察不同配比的碳酸钾-乙醇胺复合溶液对烟气中CO2的吸收效果，结果见图4。

图4 碳酸钾-乙醇胺复合溶液对烟气中CO2的吸收效果

由图4a、b可以看出，不同配比碳酸钾-乙醇胺复合溶液的CO2吸收量差异很大，随着乙醇胺量的增加，CO2吸收量先增后减，0.6 mol·L-1碳酸钾-0.4 mol·L-1乙醇胺的吸收量最大。同时，初始CO2吸收速率逐渐加快，但溶液吸收速率随吸收时间的变化幅度增大。表明溶液维持一定吸收速率的能力变差。分析原因为：混合溶液中存在交互作用。吸收初始，CO2吸收速率较快,乙醇胺可以与CO2快速地结合成氨基甲酸盐，同时游离胺与水之间的氢键增强了反应的活性，促进了CO2的水化，进而加快了碳酸钾对CO2的吸收。若乙醇胺量过少，就没有足够的乙醇胺作为缓冲媒介及活化剂，吸收效果不会太好；同时，若碳酸钾量过少，吸收效果也会有限。

由图4c、d可以看出，随着反应的进行，pH值逐渐减小，吸收量相应增大，吸收速率起初较快，而后下降明显，不同配比复合溶液的变化趋势类似。分析原因为：吸收初始，溶液中氨基和OH-的浓度较高，吸收速率维持在较快的水平，但液相的pH值减小很快；随着吸收的进行，乙醇胺反应较快，消耗较多，对吸收速率的影响较大，此时吸收速率随pH值的减小明显减慢；碳酸钾与CO2的反应是吸收主要部分，吸收量变化相对平缓。

对于不同配比的复合溶液，饱和时的pH值不同，其中0.9 mol·L-1碳酸钾-0.1 mol·L-1乙醇胺的pH值最大，0.5 mol·L-1碳酸钾-0.5 mol·L-1乙醇胺的最小。由图4c、d也可以看出，随着乙醇胺量的增加，吸收速率逐渐加快，吸收量先增后减，0.6 mol·L-1碳酸钾-0.4 mol·L-1乙醇胺的吸收量最大。可见，适量的乙醇胺可以加深反应程度，使反应进行得更彻底。

综合考虑吸收速率和吸收量，0.6 mol·L-1碳酸钾-0.4 mol·L-1乙醇胺复合溶液的吸收效果最好。

2.3 吸收效果的比较

就0.6 mol·L-1碳酸钾溶液、0.4 mol·L-1乙醇胺溶液、0.6 mol·L-1碳酸钾-0.4 mol·L-1乙醇胺复合溶液对烟气中CO2的吸收效果进行比较，结果见图5。

图5 碳酸钾溶液、乙醇胺溶液、碳酸钾-乙醇胺复合溶液对烟气中CO2吸收量的比较

由图5可以看出，0.6 mol·L-1碳酸钾溶液对CO2的饱和吸收量为0.015 mol，0.4 mol·L-1乙醇胺溶液对CO2的饱和吸收量为0.078 mol，0.6 mol·L-1碳酸钾-0.4 mol·L-1乙醇胺复合溶液对CO2的饱和吸收量为0.185 mol。可见，复合溶液对CO2的饱和吸收量要大于两单组分溶液对CO2饱和吸收量的和，表明碳酸钾、乙醇胺在吸收过程中存在正交互作用。

2.4 碳酸钾—乙醇胺复合溶液的再生

对于工业应用的吸收体系而言，再生温度反映了吸收溶液再生需要的热负荷，再生率反映了吸收溶液可循环利用的性能。因此，再生温度、再生率是反映吸收体系再生效率的两个重要性能指标。碳酸钾—乙醇胺复合溶液的再生温度及再生率见表1。

由表1可见，对于碳酸钾—乙醇胺复合溶液，随着溶液中乙醇胺浓度的增大，石灰水变浑浊的温度先降低后升高，但都低于80 ℃，远低于纯碳酸钾溶液的石灰水变浑浊温度(98 ℃)，同时再生温度大多高于105 ℃，但仍低于纯碳酸钾溶液再生温度(118 ℃)。这说明复合溶液再生需要的热负荷低于纯碳酸钾溶液的热负荷。其中0.6 mol·L-1碳酸钾-0.4 mol·L-1乙醇胺再生温度最低(105 ℃)，再生率最高(98.8%)。