混合胺DETA/MDEA吸收解吸CO2的影響因素

張宇婷，王世飛，岳愛琴，張永坡，高春艷，杜維俊，邢國明，趙晉忠

（山西農業大學文理學院，山西 太谷 030801）

過去10 a，由于對化石燃料的依賴，導致大氣中CO2的濃度增加[1]。政府氣候專委會指出，CO2是導致全球變暖和氣候改變的主要因素[2]，而全球變暖與氣候改變是現如今的一個全球性的問題[3-4]。與此同時，CO2作為化工原料、致冷劑、油田增產劑、惰性介質、溶劑和壓力源等，在國民經濟各部門有著廣泛的用途[5-8]。更值得一提的是，一定范圍內，植物的光合作用隨CO2濃度的升高而增強，CO2不僅可以提高作物產量，而且可以提高作物品質[9]，所以，二氧化碳還可用作“氣體肥料”。近年來，人們對胺類物質吸收二氧化碳的研究逐步完善，對各種有機胺吸收二氧化碳的吸收性能的優點和缺陷也有了一定了解，為了彌補其不足開展了對混合胺的研究。陳春宜等[10]開展了TETA+DEA混合胺溶液脫碳試驗，利用正交試驗篩選出了最佳配比。文娟等[11]就混合胺MEA＋DETA對二氧化碳進行了脫碳試驗。宿輝等[12]對多種吸收CO2的方法及吸收機理進行了研究與比較，結果發現，用有機胺吸收CO2比其他方法吸收的量大，且花費少，還可以進行多次循環吸收。

山西農業大學文理學院CO2富集利用課題組利用有機胺吸收CO2可以進行多次循環吸收這一特性為紐帶，致力于將工業廢氣與設施農業結合起來。

李雪松等[13]研究發現，在單組分有機胺體系中，DETA對CO2吸收量明顯比其他吸收劑要大，是優良的CO2吸收劑；陳杰等[14-15]研究發現，MDEA的再生溫度低，再生時間短，再生效率高。山西農業大學文理學院CO2富集利用課題組研究發現，在二元復合體系中，DETA/MDEA為7∶3時，吸收和解吸都比較好，經過20次循環后，解吸量依然可觀，再生效率保持在90%左右，可持續穩定地捕獲和解吸CO2。本試驗在上述研究的基礎上，在吸收方面考察了溫度、吸收劑總濃度等因素對CO2吸收量及吸收速率的影響；在解吸方面考察了外界溫度、吸收劑總濃度等因素對CO2再生性能的影響，旨在篩選出吸收劑對CO2吸收、解吸及再生性能的最佳條件。

1 材料和方法

1.1 材料

純度99.9%的CO2（金橋氣體）；純度大于99%的DETA和MDEA（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 吸收試驗 如圖1的吸收裝置所示，將一定濃度的有機胺水溶液放入250 mL的反應容器中，通入二氧化碳氣體（在使用前將CO2氣體流量固定），而吸收劑溫度用集熱式磁力攪拌器保持恒定，并用濃硫酸來吸收流失的水，每隔2 min稱取吸收劑和濃硫酸質量，通過稱取吸收前后質量來確定其吸收量。當其質量不再增加，此反應結束。試驗前用皂膜流量計測定CO2流速，固定流速從而固定壓力。在壓力一定，溫度為298，308，318 K和質量分數為5%，15%，25%以及磁力攪拌器轉速一定的條件下，進行吸收試驗。每組通過3次連續重復試驗，保證試驗的準確性。

1.2.2 解吸試驗 如圖2的解吸裝置所示，本試驗通過用集熱式磁力加熱攪拌器來控制溫度加熱解吸，并安裝冷凝管冷凝，由濃硫酸進行干燥，并由皂膜流量計測量釋放速率（在使用前先校準皂膜流量計），在溫度 368，378，388 K和質量分數 5%，15%，25%以及磁力攪拌器轉速一定的條件下進行解吸試驗。當解吸速率小于5 mL/min時，停止測定，解吸3 h停止。再用吸收裝置進行吸收，其2次吸收量即為其解吸量。

2 結果與分析

2.1 混合胺對CO2的吸收情況

2.1.1 溫度對吸收的影響 混合胺（DETA/MDEA為7∶3）在總濃度 15%（質量分數），溫度（298，308，318 K）下，測定吸收劑吸收CO2的能力，結果如圖3所示。

由圖3可知，在不同溫度下曲線可分為2個階段：第1階段是0～360 s，快速吸收階段，吸收量迅速增加；第2階段是360 s后，連續增加階段，吸收量緩慢。這是因為反應初始階段，吸收劑的堿性較大，與CO2的反應極容易，反應在第1部分就幾乎完成；隨著與CO2反應堿性的減弱，吸收速率減慢，使第2階段吸收不明顯。在360 s前溫度高的吸收劑其吸收量也相應較大，說明在此時間段內溫度對其吸收有促進作用；在360 s后，吸收情況與之前相反，298 K下吸收劑的吸收量高于其他溫度。這可能是由于360 s后隨著吸收劑對CO2吸收量增加緩慢，而吸收劑的溶解度卻逐漸降低，吸收后生成熱穩定性較差的產物，所以溫度越高反而不利于吸收[11]。

由圖4可知，吸收速率在240 s之前，溫度高的吸收劑其吸收速率大；而隨著時間的增加，在240 s后吸收情況與之前相反，溫度越低吸收速率越大。298 K可視為常溫，在此條件下，不僅吸收量大，且經濟成本低，所以，298 K為最佳吸收溫度，之后的試驗都在298 K下進行。

2.1.2 總濃度對吸收的影響 混合胺（DETA/MDEA為7∶3）在溫度298 K，濃度5%～25%區間內吸收量、吸收速率隨時間的曲線如圖5，6所示。

由圖5，6可知，不同濃度的吸收劑對CO2的吸收都是呈初始階段快速吸收，之后連續緩慢地吸收。濃度為25%的溶液其吸收量和吸收速率明顯比其他濃度的小，這可能是因為25%的溶液濃度較大，比較黏稠，導致CO2在溶劑中的擴散效果受到阻礙從而影響了它的吸收[16-19]。而濃度為5%和15%的吸收劑，在480 s前，濃度大的吸收劑，其吸收量和吸收速率都較大；但在480 s后，吸收情況與之前相反。這可能是由于濃度為5%和15%的吸收劑在480 s前都較稀，所以在一定濃度內，濃度較大的吸收劑吸收性能好；而480 s后，隨著吸收CO2的量增多，吸收劑黏稠度增加，CO2的吸收量減少，所以，CO2在濃度小的吸收劑中的擴散效果較好，最終吸收量大。

2.2 混合胺對CO2的解吸情況

2.2.1 溫度對解吸的影響 在溫度368～388 K條件下,對總濃度15%（質量分數）的混合胺（DETA/MDEA為7∶3）進行解吸。圖7是測定了80 min內不同溫度下的解吸速率。從圖7可以看出，不同溫度的混合胺解吸速率隨時間的變化呈先升高后降低的趨勢，這是由于加熱過程中溫度要逐漸升高到最大，所以，在初始階段（0～14 min）解吸速率逐漸升高，當溫度達到最大值后，解吸量增多，解吸速率逐漸降低。隨著解吸溫度的升高，解吸速率增大。388 K溫度下的釋放速率明顯大于368，378 K。

由圖8可知，曲線分為快速解吸階段和緩慢解吸階段。這是因為隨著解吸溫度的升高，解析量增多，當溫度達到388 K時趨于緩慢增加，368 K下解吸量最低，這可能是由于部分與CO2反應的產物熱穩定性高[18]，解吸溫度較低，使CO2無法從中溢出；隨著解吸溫度升高，CO2的解吸量也隨之升高。

2.2.2 總濃度對解吸的影響 在總濃度5%～25%、溫度378 K條件下，對混合胺（DETA/MDEA為7∶3）進行解吸，測定了80 min內的不同總濃度下混合胺的解吸速率（圖9），解吸速率隨溫度的升高逐漸升高，又隨著解吸時間的增長解吸量增加而逐漸降低；不同總濃度對解吸速率影響較大，總濃度為15%的吸收劑，其解吸速率最大，而其他濃度的解吸速率相對較小。

由圖10可知，25%的吸收劑解吸量最小，解吸速率較15%的小，5%的吸收劑解吸量最大，但其解吸速率最小，所以，15%的吸收劑兼具較好的解吸量和解吸速率。

2.3 混合胺的再生

2.3.1 溫度對混合胺再生的影響 總濃度15%的吸收劑在不同溫度（368，378，388 K）下進行解吸，解吸相同時間，進行2次吸收，測其再生量、再生溫度和再生效率，結果如表1所示。解吸溫度在368 K的條件下，再生量可達4.642 g，再生率可達79.73%；而解吸溫度為378，388 K的條件下，再生量分別達到5.427，5.586 g，再生率分別為93.54%，96.19%。由此可知，相同解吸時間內，隨著解吸溫度的升高釋放速率增大，再生量增加，再生率增加[20]。解吸溫度為388 K的再生率與378 K相比增加不大，但378 K的能耗低。

2.3.2 總濃度對混合胺再生的影響 溫度在378 K下，對不同總濃度（5%～25%）的混合胺進行解吸，解吸相同時間，進行2次吸收測其再生量、再生溫度和再生效率，結果如表2所示。從表2可以看出，總濃度為5%的混合胺的吸收解吸量大，但其再生率較低；總濃度為25%的混合胺的吸收量、再生量和再生率都較低；總濃度為15%的混合胺的再生率最好。

表1 溫度對混合胺再生的影響

表2 濃度對混合胺再生的影響

3 結論

本研究表明，溫度和濃度是混合胺（DETA∶MDEA＝7∶3）對CO2吸收、解吸及再生性能的重要影響因素。在吸收初始階段，不同溫度的混合胺（DETA＋MDEA）吸收CO2的量、吸收速率隨溫度的增加而增加，但溫度越高，在吸收過程中會伴隨一定量的解吸，最終導致吸收量減少。而不同濃度的混合胺（DETA+MDEA）吸收CO2的量、吸收速率隨濃度的增加而增加，但濃度越高的吸收劑隨著對CO2吸收量增加黏稠度增加，擴散效果減弱，最終導致吸收量減少。溫度越高越有利于解吸，解吸越徹底，再生效果越好。在一定范圍內，濃度越高越有利于解吸，再生效果越好。

在吸收溫度為298，308，318 K、解吸溫度為368，378，388 K和總濃度為 5%，15%，25%條件下，混合胺吸收劑在298 K下吸收量最高。濃度為15%的混合胺吸收劑吸收量略低于濃度為5%吸收劑，但其解吸速率、解吸率和再生率都較高。綜合考慮其吸收、解吸及再生性能可以得出，DETA∶MDEA為7∶3的混合胺性能最佳的復配劑為：吸收條件298 K、總胺濃度15%、解吸溫度378 K。

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