基于膜法不同吸收劑對CO2吸收性能的研究

崔連喜

摘要：采用聚丙烯中空纖維膜接觸器，用一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和氨基乙酸鉀（PG）作為吸收劑對煙氣中的CO2進行了吸收實驗，研究氣體流速、吸收劑流速和濃度等因素對CO2脫除率和傳質速率的影響。結果表明：以上吸收劑分離吸收CO2的效率由大到小依次是PG、MEA、DEA。CO2的脫除率和傳質速率隨吸收劑濃度和流速的提高均增加；CO2脫除率隨氣體流量的增加而減小，但傳質速率卻隨之增加。

關鍵詞：聚丙烯中空纖維膜；二氧化碳；氣體吸收

中圖分類號：X511文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）02015603

1引言

當前隨著世界各國對溫室效應研究的日益深入，溫室氣體CO2的分離吸收已經成為學者們的研究重點。眾所周知CO2的排放是導致全球變暖最主要的原因。2015年世界CO2排放總量達到334億t，其中化石燃料電廠貢獻了將近30%。因此，降低CO2排放量，必須對電廠煙道氣中的CO2采取相應的處理措施。目前，煙道氣中CO2的捕獲方法主要有以下幾種：物理吸收法、化學吸附法、膜分離法、化學循環燃燒等[1～3]。

膜分離法作為一種新型吸收分離CO2的方法與傳統的分離設備相比有很多優勢。如：膜接觸器體積小，質量輕，操作靈活，傳質速率快，氣液兩相互不干擾。流量范圍比較寬，可依據情況進行調節，而且氣液傳質界面較大，最大可達3000m2/m3；并且具有固定的氣液兩相界面，不會出現液泛、霧沫夾帶、溝流、鼓泡等情況。

本文基于膜接觸器的分離吸收原理，采用目前被廣泛使用的聚丙烯材料的膜接觸器以氨基乙酸鉀（PG）、二乙醇胺（DEA）、一乙醇胺（MEA）3種物質的水溶液作為吸收劑吸收煙氣中的CO2，考察對膜吸收效果有較明顯影響的因素。其中煙氣為含10%CO2的實際煙氣。

2實驗部分

2.1實驗裝置

實驗裝置見圖1。圖1實驗裝置試驗中，煙氣通過減壓閥控制氣體壓力，并經流量計計量后進入中空纖維微孔膜接觸器，在管程流動，同時吸收液通過泵從儲液罐中進入膜接觸器內，在殼程流動，氣液兩相逆向流動發生反應，形成一種弱連接的化合物，從而被吸收液吸收。處理后的煙氣取樣后排空。

膜組件進出口氣相組成由CP-3800氣相色譜儀分析測定。膜組件由杭州海氧之家膜技術有限公司提供，其性能參數見表1。

3結果與討論

3.1氣體流速對CO2脫除率和傳質速率的影響

在室溫、進液流速為12L/h的條件下，分別用濃度為1mol/L的PG、MEA和DEA作為吸收劑對實際煙氣進行吸收試驗，通過圖2可以看出，在液相流速不變的情況下，CO2脫除率會隨著氣體流速的增加而不斷減小。氣體流速從1L/min升高到4L/min時，1mol/L的PG吸收液對CO2的脫除率從98%下降到52%，1mol/L的MEA吸收液對CO2的脫除率從96%下降到48%，1mol/L的DEA吸收液對CO2的脫除率從81%下降到36%，產生這種情況的主要原因為增加氣體流速會縮短氣體在膜接觸器中的停留時間，導致外側的吸收液沒有充足的時間與接觸器中的CO2發生反應，從而降低了系統的脫除效率。通過圖3可以得知，增加氣體流速，總傳質速率將會提高，氣體流速從1L/min增加到4L/min，濃度為1mol/LPG的傳質速率將從0.79mol/

3.2液體流速和吸收劑類型對CO2脫除率和傳質速

率的影響在室溫、吸收劑濃度為1mol/L、氣體流速為1L/min下進行，分別用不同流速的吸收液對實際煙氣進行吸收試驗。通過圖4和圖5可以看出，當氣體流速不變時，增大液體流速，脫除率和傳質速率都會升高。液體流速從6L/h增加到12L/h時，濃度為1mol/L的PG吸收CO2的效率將從92%升高到99%，傳質速率將從0.73mol/（m2·h）升高到0.78mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收CO2的效率將從93%升高到98%，傳質速率將從0.73mol/（m2·h）升高到0.77mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收CO2的效率將從75%升高到84%，傳質速率將從0.61mol/（m2·h）升高到0.67mol/（m2·h），產生這種情況的主要原因是增大液體流速，增加了吸收液的湍流頻率，CO2能較快地從邊界層擴散至吸收液中，使接觸面吸收液不容易達到飽和狀態，而且氣液間的濃度梯度加大，也有利于CO2擴散到吸收液中，達到提高吸收率和傳質速率的目的。由于MEA與CO2反應種類多，反應速率快，而DEA受其自身結構的影響，與CO2反應速率慢，在相同的時間內，其吸收CO2的速度較低，所以DEA對CO2脫除率和傳質速率都小于MEA。PG與DEA、MEA的反應機理相似，但是PG由于其能水解出-COOH和OH-，并且OH-離子能參加吸收CO2的反應，所以其能更快更好地吸收煙氣中的CO2。

圖4液體流速對CO2脫除率的影響圖5液體流速對CO2傳質速率的影響3.3吸收液濃度對CO2脫除率和傳質速率的影響

在室溫、液體流速為12L/h、氣體流速為1L/min的條件下，用濃度為0.1～1mol/L的吸收劑對實際煙氣中的CO2進行吸收試驗。通過圖6和圖7可知，增加吸收液濃度，CO2脫除率和傳質速率均增加。隨著吸收液濃度的不斷提高，1mol/L的PG吸收CO2的效率從57%升高到96%，傳質速率從0.48mol/（m2·h）升高到0.76mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收液對CO2的脫除率從54%升高到94%，傳質速率從0.44mol/（m2·h）升高到0.75mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收液對CO2的脫除率從40%升高到81%，傳質速率從0.33mol/（m2·h）升高到0.63mol/（m2·h）， 產生這種情況的主要原因是隨著吸收液濃度的提高，吸收液中與CO2反應的有效成分將會增加，透過膜到達液側的CO2會很快與液相中有效成分發生反應，從而降低液側的CO2濃度，提高了脫除率。另一方面，增加吸收液濃度，吸收過程的化學反應增強因子增大，液相分傳質系數增大，從而提高了總的傳質速率。但吸收液從0.5mol/L增加到1mol/L的CO2脫除率的增長率只有10%左右要小于0.1mol/L到0.5mol/L的20%左右的增長率，產生這種情況的主要原因是當吸收劑濃度增大時，透過膜的CO2很快被反應掉，使得液側溶質濃度保持在較低的水平，增大了傳質推動力，從而使總傳質阻力降低。但當吸收劑濃度增大到一定程度時，液相中的吸收劑濃度已經足夠大，足以與穿透膜接觸器的CO2進行反應，

4結論

（1）在相同條件下，3種吸收劑分離吸收CO2的效率為PG>MEA>DEA。

（2）隨著吸收液濃度和流速增大，CO2的脫除率和傳質速率提高，吸收液濃度對CO2脫除率和傳質速率的影響要大于液體流速對其的影響。

（3）隨著氣體流速的增加，CO2脫除率逐漸減小，氣速從1L/min增加到4L/min時CO2脫除率下降幅度達50%左右，但是傳質速率大幅度增加。

參考文獻：

[1] Mandl B P，Bandyopadhyay S S.Absorption of carbon dioxide into aqueous blends of 2-amino-2-methyl-1-propanol and mono-ethanolamine[J].Chemical Engineering Science，2006，61（16）：5440～5447.

[2] Moon S H，Shim J W.A novel process for CO2/CH4 gas separation on activated carbon fibers-electric swing adsorption[J].Journal of Colloid and Interface Science，2006，298：523～528.

[3] Corti A，Fiaschi D，Lombardi L.Carbon dioxide removal in power generation using membrane technology[J].Energy，2004，29（12/15）：2025～2043.endprint

摘要：采用聚丙烯中空纖維膜接觸器，用一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和氨基乙酸鉀（PG）作為吸收劑對煙氣中的CO2進行了吸收實驗，研究氣體流速、吸收劑流速和濃度等因素對CO2脫除率和傳質速率的影響。結果表明：以上吸收劑分離吸收CO2的效率由大到小依次是PG、MEA、DEA。CO2的脫除率和傳質速率隨吸收劑濃度和流速的提高均增加；CO2脫除率隨氣體流量的增加而減小，但傳質速率卻隨之增加。

關鍵詞：聚丙烯中空纖維膜；二氧化碳；氣體吸收

中圖分類號：X511文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）02015603

1引言

當前隨著世界各國對溫室效應研究的日益深入，溫室氣體CO2的分離吸收已經成為學者們的研究重點。眾所周知CO2的排放是導致全球變暖最主要的原因。2015年世界CO2排放總量達到334億t，其中化石燃料電廠貢獻了將近30%。因此，降低CO2排放量，必須對電廠煙道氣中的CO2采取相應的處理措施。目前，煙道氣中CO2的捕獲方法主要有以下幾種：物理吸收法、化學吸附法、膜分離法、化學循環燃燒等[1～3]。

膜分離法作為一種新型吸收分離CO2的方法與傳統的分離設備相比有很多優勢。如：膜接觸器體積小，質量輕，操作靈活，傳質速率快，氣液兩相互不干擾。流量范圍比較寬，可依據情況進行調節，而且氣液傳質界面較大，最大可達3000m2/m3；并且具有固定的氣液兩相界面，不會出現液泛、霧沫夾帶、溝流、鼓泡等情況。

本文基于膜接觸器的分離吸收原理，采用目前被廣泛使用的聚丙烯材料的膜接觸器以氨基乙酸鉀（PG）、二乙醇胺（DEA）、一乙醇胺（MEA）3種物質的水溶液作為吸收劑吸收煙氣中的CO2，考察對膜吸收效果有較明顯影響的因素。其中煙氣為含10%CO2的實際煙氣。

2實驗部分

2.1實驗裝置

實驗裝置見圖1。圖1實驗裝置試驗中，煙氣通過減壓閥控制氣體壓力，并經流量計計量后進入中空纖維微孔膜接觸器，在管程流動，同時吸收液通過泵從儲液罐中進入膜接觸器內，在殼程流動，氣液兩相逆向流動發生反應，形成一種弱連接的化合物，從而被吸收液吸收。處理后的煙氣取樣后排空。

膜組件進出口氣相組成由CP-3800氣相色譜儀分析測定。膜組件由杭州海氧之家膜技術有限公司提供，其性能參數見表1。

3結果與討論

3.1氣體流速對CO2脫除率和傳質速率的影響

在室溫、進液流速為12L/h的條件下，分別用濃度為1mol/L的PG、MEA和DEA作為吸收劑對實際煙氣進行吸收試驗，通過圖2可以看出，在液相流速不變的情況下，CO2脫除率會隨著氣體流速的增加而不斷減小。氣體流速從1L/min升高到4L/min時，1mol/L的PG吸收液對CO2的脫除率從98%下降到52%，1mol/L的MEA吸收液對CO2的脫除率從96%下降到48%，1mol/L的DEA吸收液對CO2的脫除率從81%下降到36%，產生這種情況的主要原因為增加氣體流速會縮短氣體在膜接觸器中的停留時間，導致外側的吸收液沒有充足的時間與接觸器中的CO2發生反應，從而降低了系統的脫除效率。通過圖3可以得知，增加氣體流速，總傳質速率將會提高，氣體流速從1L/min增加到4L/min，濃度為1mol/LPG的傳質速率將從0.79mol/

3.2液體流速和吸收劑類型對CO2脫除率和傳質速

率的影響在室溫、吸收劑濃度為1mol/L、氣體流速為1L/min下進行，分別用不同流速的吸收液對實際煙氣進行吸收試驗。通過圖4和圖5可以看出，當氣體流速不變時，增大液體流速，脫除率和傳質速率都會升高。液體流速從6L/h增加到12L/h時，濃度為1mol/L的PG吸收CO2的效率將從92%升高到99%，傳質速率將從0.73mol/（m2·h）升高到0.78mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收CO2的效率將從93%升高到98%，傳質速率將從0.73mol/（m2·h）升高到0.77mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收CO2的效率將從75%升高到84%，傳質速率將從0.61mol/（m2·h）升高到0.67mol/（m2·h），產生這種情況的主要原因是增大液體流速，增加了吸收液的湍流頻率，CO2能較快地從邊界層擴散至吸收液中，使接觸面吸收液不容易達到飽和狀態，而且氣液間的濃度梯度加大，也有利于CO2擴散到吸收液中，達到提高吸收率和傳質速率的目的。由于MEA與CO2反應種類多，反應速率快，而DEA受其自身結構的影響，與CO2反應速率慢，在相同的時間內，其吸收CO2的速度較低，所以DEA對CO2脫除率和傳質速率都小于MEA。PG與DEA、MEA的反應機理相似，但是PG由于其能水解出-COOH和OH-，并且OH-離子能參加吸收CO2的反應，所以其能更快更好地吸收煙氣中的CO2。

圖4液體流速對CO2脫除率的影響圖5液體流速對CO2傳質速率的影響3.3吸收液濃度對CO2脫除率和傳質速率的影響

在室溫、液體流速為12L/h、氣體流速為1L/min的條件下，用濃度為0.1～1mol/L的吸收劑對實際煙氣中的CO2進行吸收試驗。通過圖6和圖7可知，增加吸收液濃度，CO2脫除率和傳質速率均增加。隨著吸收液濃度的不斷提高，1mol/L的PG吸收CO2的效率從57%升高到96%，傳質速率從0.48mol/（m2·h）升高到0.76mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收液對CO2的脫除率從54%升高到94%，傳質速率從0.44mol/（m2·h）升高到0.75mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收液對CO2的脫除率從40%升高到81%，傳質速率從0.33mol/（m2·h）升高到0.63mol/（m2·h）， 產生這種情況的主要原因是隨著吸收液濃度的提高，吸收液中與CO2反應的有效成分將會增加，透過膜到達液側的CO2會很快與液相中有效成分發生反應，從而降低液側的CO2濃度，提高了脫除率。另一方面，增加吸收液濃度，吸收過程的化學反應增強因子增大，液相分傳質系數增大，從而提高了總的傳質速率。但吸收液從0.5mol/L增加到1mol/L的CO2脫除率的增長率只有10%左右要小于0.1mol/L到0.5mol/L的20%左右的增長率，產生這種情況的主要原因是當吸收劑濃度增大時，透過膜的CO2很快被反應掉，使得液側溶質濃度保持在較低的水平，增大了傳質推動力，從而使總傳質阻力降低。但當吸收劑濃度增大到一定程度時，液相中的吸收劑濃度已經足夠大，足以與穿透膜接觸器的CO2進行反應，

4結論

（1）在相同條件下，3種吸收劑分離吸收CO2的效率為PG>MEA>DEA。

（2）隨著吸收液濃度和流速增大，CO2的脫除率和傳質速率提高，吸收液濃度對CO2脫除率和傳質速率的影響要大于液體流速對其的影響。

（3）隨著氣體流速的增加，CO2脫除率逐漸減小，氣速從1L/min增加到4L/min時CO2脫除率下降幅度達50%左右，但是傳質速率大幅度增加。

參考文獻：

[1] Mandl B P，Bandyopadhyay S S.Absorption of carbon dioxide into aqueous blends of 2-amino-2-methyl-1-propanol and mono-ethanolamine[J].Chemical Engineering Science，2006，61（16）：5440～5447.

[2] Moon S H，Shim J W.A novel process for CO2/CH4 gas separation on activated carbon fibers-electric swing adsorption[J].Journal of Colloid and Interface Science，2006，298：523～528.

[3] Corti A，Fiaschi D，Lombardi L.Carbon dioxide removal in power generation using membrane technology[J].Energy，2004，29（12/15）：2025～2043.endprint

摘要：采用聚丙烯中空纖維膜接觸器，用一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和氨基乙酸鉀（PG）作為吸收劑對煙氣中的CO2進行了吸收實驗，研究氣體流速、吸收劑流速和濃度等因素對CO2脫除率和傳質速率的影響。結果表明：以上吸收劑分離吸收CO2的效率由大到小依次是PG、MEA、DEA。CO2的脫除率和傳質速率隨吸收劑濃度和流速的提高均增加；CO2脫除率隨氣體流量的增加而減小，但傳質速率卻隨之增加。

關鍵詞：聚丙烯中空纖維膜；二氧化碳；氣體吸收

中圖分類號：X511文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）02015603

1引言

當前隨著世界各國對溫室效應研究的日益深入，溫室氣體CO2的分離吸收已經成為學者們的研究重點。眾所周知CO2的排放是導致全球變暖最主要的原因。2015年世界CO2排放總量達到334億t，其中化石燃料電廠貢獻了將近30%。因此，降低CO2排放量，必須對電廠煙道氣中的CO2采取相應的處理措施。目前，煙道氣中CO2的捕獲方法主要有以下幾種：物理吸收法、化學吸附法、膜分離法、化學循環燃燒等[1～3]。

膜分離法作為一種新型吸收分離CO2的方法與傳統的分離設備相比有很多優勢。如：膜接觸器體積小，質量輕，操作靈活，傳質速率快，氣液兩相互不干擾。流量范圍比較寬，可依據情況進行調節，而且氣液傳質界面較大，最大可達3000m2/m3；并且具有固定的氣液兩相界面，不會出現液泛、霧沫夾帶、溝流、鼓泡等情況。

本文基于膜接觸器的分離吸收原理，采用目前被廣泛使用的聚丙烯材料的膜接觸器以氨基乙酸鉀（PG）、二乙醇胺（DEA）、一乙醇胺（MEA）3種物質的水溶液作為吸收劑吸收煙氣中的CO2，考察對膜吸收效果有較明顯影響的因素。其中煙氣為含10%CO2的實際煙氣。

2實驗部分

2.1實驗裝置

實驗裝置見圖1。圖1實驗裝置試驗中，煙氣通過減壓閥控制氣體壓力，并經流量計計量后進入中空纖維微孔膜接觸器，在管程流動，同時吸收液通過泵從儲液罐中進入膜接觸器內，在殼程流動，氣液兩相逆向流動發生反應，形成一種弱連接的化合物，從而被吸收液吸收。處理后的煙氣取樣后排空。

膜組件進出口氣相組成由CP-3800氣相色譜儀分析測定。膜組件由杭州海氧之家膜技術有限公司提供，其性能參數見表1。

3結果與討論

3.1氣體流速對CO2脫除率和傳質速率的影響

在室溫、進液流速為12L/h的條件下，分別用濃度為1mol/L的PG、MEA和DEA作為吸收劑對實際煙氣進行吸收試驗，通過圖2可以看出，在液相流速不變的情況下，CO2脫除率會隨著氣體流速的增加而不斷減小。氣體流速從1L/min升高到4L/min時，1mol/L的PG吸收液對CO2的脫除率從98%下降到52%，1mol/L的MEA吸收液對CO2的脫除率從96%下降到48%，1mol/L的DEA吸收液對CO2的脫除率從81%下降到36%，產生這種情況的主要原因為增加氣體流速會縮短氣體在膜接觸器中的停留時間，導致外側的吸收液沒有充足的時間與接觸器中的CO2發生反應，從而降低了系統的脫除效率。通過圖3可以得知，增加氣體流速，總傳質速率將會提高，氣體流速從1L/min增加到4L/min，濃度為1mol/LPG的傳質速率將從0.79mol/

3.2液體流速和吸收劑類型對CO2脫除率和傳質速

率的影響在室溫、吸收劑濃度為1mol/L、氣體流速為1L/min下進行，分別用不同流速的吸收液對實際煙氣進行吸收試驗。通過圖4和圖5可以看出，當氣體流速不變時，增大液體流速，脫除率和傳質速率都會升高。液體流速從6L/h增加到12L/h時，濃度為1mol/L的PG吸收CO2的效率將從92%升高到99%，傳質速率將從0.73mol/（m2·h）升高到0.78mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收CO2的效率將從93%升高到98%，傳質速率將從0.73mol/（m2·h）升高到0.77mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收CO2的效率將從75%升高到84%，傳質速率將從0.61mol/（m2·h）升高到0.67mol/（m2·h），產生這種情況的主要原因是增大液體流速，增加了吸收液的湍流頻率，CO2能較快地從邊界層擴散至吸收液中，使接觸面吸收液不容易達到飽和狀態，而且氣液間的濃度梯度加大，也有利于CO2擴散到吸收液中，達到提高吸收率和傳質速率的目的。由于MEA與CO2反應種類多，反應速率快，而DEA受其自身結構的影響，與CO2反應速率慢，在相同的時間內，其吸收CO2的速度較低，所以DEA對CO2脫除率和傳質速率都小于MEA。PG與DEA、MEA的反應機理相似，但是PG由于其能水解出-COOH和OH-，并且OH-離子能參加吸收CO2的反應，所以其能更快更好地吸收煙氣中的CO2。

圖4液體流速對CO2脫除率的影響圖5液體流速對CO2傳質速率的影響3.3吸收液濃度對CO2脫除率和傳質速率的影響

在室溫、液體流速為12L/h、氣體流速為1L/min的條件下，用濃度為0.1～1mol/L的吸收劑對實際煙氣中的CO2進行吸收試驗。通過圖6和圖7可知，增加吸收液濃度，CO2脫除率和傳質速率均增加。隨著吸收液濃度的不斷提高，1mol/L的PG吸收CO2的效率從57%升高到96%，傳質速率從0.48mol/（m2·h）升高到0.76mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收液對CO2的脫除率從54%升高到94%，傳質速率從0.44mol/（m2·h）升高到0.75mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收液對CO2的脫除率從40%升高到81%，傳質速率從0.33mol/（m2·h）升高到0.63mol/（m2·h）， 產生這種情況的主要原因是隨著吸收液濃度的提高，吸收液中與CO2反應的有效成分將會增加，透過膜到達液側的CO2會很快與液相中有效成分發生反應，從而降低液側的CO2濃度，提高了脫除率。另一方面，增加吸收液濃度，吸收過程的化學反應增強因子增大，液相分傳質系數增大，從而提高了總的傳質速率。但吸收液從0.5mol/L增加到1mol/L的CO2脫除率的增長率只有10%左右要小于0.1mol/L到0.5mol/L的20%左右的增長率，產生這種情況的主要原因是當吸收劑濃度增大時，透過膜的CO2很快被反應掉，使得液側溶質濃度保持在較低的水平，增大了傳質推動力，從而使總傳質阻力降低。但當吸收劑濃度增大到一定程度時，液相中的吸收劑濃度已經足夠大，足以與穿透膜接觸器的CO2進行反應，

4結論

（1）在相同條件下，3種吸收劑分離吸收CO2的效率為PG>MEA>DEA。

（2）隨著吸收液濃度和流速增大，CO2的脫除率和傳質速率提高，吸收液濃度對CO2脫除率和傳質速率的影響要大于液體流速對其的影響。

（3）隨著氣體流速的增加，CO2脫除率逐漸減小，氣速從1L/min增加到4L/min時CO2脫除率下降幅度達50%左右，但是傳質速率大幅度增加。

參考文獻：

[1] Mandl B P，Bandyopadhyay S S.Absorption of carbon dioxide into aqueous blends of 2-amino-2-methyl-1-propanol and mono-ethanolamine[J].Chemical Engineering Science，2006，61（16）：5440～5447.

[2] Moon S H，Shim J W.A novel process for CO2/CH4 gas separation on activated carbon fibers-electric swing adsorption[J].Journal of Colloid and Interface Science，2006，298：523～528.

[3] Corti A，Fiaschi D，Lombardi L.Carbon dioxide removal in power generation using membrane technology[J].Energy，2004，29（12/15）：2025～2043.endprint