二氧化碳捕集技術研究進展

鄔高翔，田 瑞

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710020）

二氧化碳是引起溫室效應的重要物質。根據國際社會對環境領域的相關要求，未來需要不斷減少二氧化碳的排放。在油氣田生產和作業的過程中，會產生大量的二氧化碳，二氧化碳的產生對于環境保護工作而言十分不利。在另一方面，如果可以對二氧化碳進行合理的利用，也可以為油氣田企業創造更大的經濟價值，在對其進行利用之前，首先需要對二氧化碳進行捕集[1]。目前，國內外提出了眾多的二氧化碳捕集方法，這些方法的機理不同，也具有不同的優缺點，本次研究主要是對目前常見的二氧化碳捕集方法進行深入研究，討論其作用機理和應用優勢，為推動二氧化碳捕集技術的進一步發展奠定基礎。

1 二氧化碳捕集方法研究

1.1 溶劑吸收法

二氧化碳捕集過程中的溶劑吸收法可以根據溶劑類型的不同分為兩種方法，分別是物理溶劑捕集法和化學溶劑捕集法，所謂的物理溶劑捕集法主要是依靠溶劑的溶解能力，對二氧化碳進行捕集，這個過程中不會產生化學反應，該捕集方法具有捕集效率高、溶劑用量少等優點，當二氧化碳分壓相對較大時，可以使用該方法對其進行捕集作業[2]。所謂的化學捕集方法主要利用二氧化碳與某些溶劑之間的化學反應，對二氧化碳進行捕集作業，然后進行物質分解將二氧化碳脫離，最終達到純化二氧化碳的目的，該種捕集方法的捕集效率相對較高，捕集過程中的能耗相對較大[3]。

1.2 物理吸附法

吸附法主要依靠物質之間的范德華力，對二氧化碳進行選擇性的吸附，然后再通過降低壓力或者升高溫度的方式，將捕集的二氧化碳釋放出來，最終達到二氧化碳分離的目的[4]。該種方法的應用成本相對較高，目前常見的吸附法可以分為兩種類型，分別是變溫吸附方法以及變壓力吸附方法，在工業生產過程中，由于溫度的調節速度相對較慢，因此，使用變溫吸附法的效率相對較低[5]。對于變壓力吸附法而言，該種方法已經在我國工業生產的氣體分離工作中得到了廣泛的應用，目前常見的吸附材料有分子篩和沸石，對高性能無污染的吸附材料進行研究開發是目前該領域面臨的問題。

1.3 膜分離法

所謂的膜分離法主要是根據氣體的篩孔效應，不同分子與不同的材料將會產生不同的熱力效果以及動力效果。根據此原理方法，可以從混合氣體中對二氧化碳進行有效的吸附。首先需要將混合氣體輸送到含有薄膜材料的通道中，在薄膜材料位置處，二氧化碳可以溶解其中并通過薄膜，其它組分無法通過，最終實現了二氧化碳分離的效果，目前常見的薄膜材料有聚釩以及醋酸纖維等。該類型的二氧化碳捕集方法穩定性相對較強，操作也相對較為簡單，但是薄膜材料成本相對較高，吸收效率也相對較低，對低成本高性能的薄膜材料進行開發是膜分離法應用中面臨的問題。

1.4 低溫分離法

在使用低溫分離法的過程中，首先需要對氣體進行低溫壓縮處理，在氣體冷凝以后，根據氣體中不同組分沸點的差異，將二氧化碳脫離凈化。該方法在使用的過程中，二氧化碳的分離要求相對較高，在進行低溫壓縮作業的過程中，需要消耗大量的能量，目前該種技術方法正處于研究階段。

2 二氧化碳捕集機理研究

2.1 穿梭機理

穿梭機理又可以被稱作為醇胺穿梭機理。該種機理認為，在氣液交界面位置處，部分醇胺分子將會與二氧化碳相互結合，進而產生了氨基離子。這個過程中所需要消耗的醇胺分子也將會得到不斷的補充，但是醇胺離子的補充速度將遠低于醇胺分子與二氧化碳的結合速度，此時系統中將產生一種擴散作用，二氧化碳將會處于穿梭狀態，二氧化碳在溶劑中的傳質速度得到了提升，二氧化碳的捕集效率也就得到了提高。

2.2 伯胺、仲胺捕集機理

所謂的伯胺分子以及仲胺分子主要指的是在氮原子周圍存在氫原子的分子，伯胺分子以及仲胺分子在水中非常容易出現水解作用，進而使得整個溶解呈現堿性，堿性的溶液會與二氧化碳等酸性分子產生反應，反應產物為兩性離子，該捕集機理又可以被稱之為兩性離子機理。該理論在20世紀60年代被首次提出，并使用乙醇胺與二氧化碳之間的反應對其進行了研究，該機理解釋了伯胺分子、仲胺分子與二氧化碳的反應過程。部分學者認為伯胺分子、仲胺分子與二氧化碳進行反應的過程中，會首先產生由疏松鍵所連接的中間產物，這種產物只是瞬間產生，存在的時間也相對較短，在中間產物的疏松鍵斷裂以后，最終才轉化為了溶劑分子。

2.3 叔胺捕集機理

所謂的叔胺分子指的是氮原子周圍沒有氫原子的分子，與伯胺分子以及仲胺分子不同，叔胺分子在于二氧化碳進行反應的過程中，并不會直接產生氨基根離子，而是產生了中間產物，最終生成了碳酸氫根離子。在整個反應的過程中，叔胺主要起到催化的作用，這主要是因為叔胺分子會與水中的氫鍵結合，進而使得水中的氫氧根離子活性降低，二氧化碳的水化作用逐漸增強。

2.4 阻胺捕集機理

阻胺分子主要指的是氮原子周圍帶有空間阻結構的分子，由于空間阻的存在會阻礙醇胺與二氧化碳的結合，因此，也會使得氨基甲酸鹽的活性降低，氨基甲酸鹽非常容易在水中產生水解作用，進而產生了碳酸氫根離子，碳酸氫根離子的存在會使得二氧化碳的捕集速度提升。

3 結語

對于油氣田的生產作業，進行二氧化碳的捕集既可以為油田企業創造額外的經濟效益，又有利于環境保護工作，油田企業需要加強二氧化碳捕集技術研究，并加快捕集工程的應用。目前工程中常見的幾種二氧化碳捕集技術各有優缺點，對于不同二氧化碳氣源的適用性有所差異，因此，油氣田企業需要根據實際情況對二氧化碳捕集技術進行合理的選擇。