基于膜法不同吸收剂对CO2吸收性能的研究

崔连喜

摘要：采用聚丙烯中空纤维膜接触器，用一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和氨基乙酸钾（PG）作为吸收剂对烟气中的CO2进行了吸收实验，研究气体流速、吸收剂流速和浓度等因素对CO2脱除率和传质速率的影响。结果表明：以上吸收剂分离吸收CO2的效率由大到小依次是PG、MEA、DEA。CO2的脱除率和传质速率随吸收剂浓度和流速的提高均增加；CO2脱除率随气体流量的增加而减小，但传质速率却随之增加。

关键词：聚丙烯中空纤维膜；二氧化碳；气体吸收

中图分类号：X511文献标识码：A文章编号：16749944（2014）02015603

1引言

当前随着世界各国对温室效应研究的日益深入，温室气体CO2的分离吸收已经成为学者们的研究重点。众所周知CO2的排放是导致全球变暖最主要的原因。2015年世界CO2排放总量达到334亿t，其中化石燃料电厂贡献了将近30%。因此，降低CO2排放量，必须对电厂烟道气中的CO2采取相应的处理措施。目前，烟道气中CO2的捕获方法主要有以下几种：物理吸收法、化学吸附法、膜分离法、化学循环燃烧等[1～3]。

膜分离法作为一种新型吸收分离CO2的方法与传统的分离设备相比有很多优势。如：膜接触器体积小，质量轻，操作灵活，传质速率快，气液两相互不干扰。流量范围比较宽，可依据情况进行调节，而且气液传质界面较大，最大可达3000m2/m3；并且具有固定的气液两相界面，不会出现液泛、雾沫夹带、沟流、鼓泡等情况。

本文基于膜接触器的分离吸收原理，采用目前被广泛使用的聚丙烯材料的膜接触器以氨基乙酸钾（PG）、二乙醇胺（DEA）、一乙醇胺（MEA）3种物质的水溶液作为吸收剂吸收烟气中的CO2，考察对膜吸收效果有较明显影响的因素。其中烟气为含10%CO2的实际烟气。

2实验部分

2.1实验装置

实验装置见图1。图1实验装置试验中，烟气通过减压阀控制气体压力，并经流量计计量后进入中空纤维微孔膜接触器，在管程流动，同时吸收液通过泵从储液罐中进入膜接触器内，在壳程流动，气液两相逆向流动发生反应，形成一种弱连接的化合物，从而被吸收液吸收。处理后的烟气取样后排空。

膜组件进出口气相组成由CP-3800气相色谱仪分析测定。膜组件由杭州海氧之家膜技术有限公司提供，其性能参数见表1。

3结果与讨论

3.1气体流速对CO2脱除率和传质速率的影响

在室温、进液流速为12L/h的条件下，分别用浓度为1mol/L的PG、MEA和DEA作为吸收剂对实际烟气进行吸收试验，通过图2可以看出，在液相流速不变的情况下，CO2脱除率会随着气体流速的增加而不断减小。气体流速从1L/min升高到4L/min时，1mol/L的PG吸收液对CO2的脱除率从98%下降到52%，1mol/L的MEA吸收液对CO2的脱除率从96%下降到48%，1mol/L的DEA吸收液对CO2的脱除率从81%下降到36%，产生这种情况的主要原因为增加气体流速会缩短气体在膜接触器中的停留时间，导致外侧的吸收液没有充足的时间与接触器中的CO2发生反应，从而降低了系统的脱除效率。通过图3可以得知，增加气体流速，总传质速率将会提高，气体流速从1L/min增加到4L/min，浓度为1mol/LPG的传质速率将从0.79mol/

3.2液体流速和吸收剂类型对CO2脱除率和传质速

率的影响在室温、吸收剂浓度为1mol/L、气体流速为1L/min下进行，分别用不同流速的吸收液对实际烟气进行吸收试验。通过图4和图5可以看出，当气体流速不变时，增大液体流速，脱除率和传质速率都会升高。液体流速从6L/h增加到12L/h时，浓度为1mol/L的PG吸收CO2的效率将从92%升高到99%，传质速率将从0.73mol/（m2·h）升高到0.78mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收CO2的效率将从93%升高到98%，传质速率将从0.73mol/（m2·h）升高到0.77mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收CO2的效率将从75%升高到84%，传质速率将从0.61mol/（m2·h）升高到0.67mol/（m2·h），产生这种情况的主要原因是增大液体流速，增加了吸收液的湍流频率，CO2能较快地从边界层扩散至吸收液中，使接触面吸收液不容易达到饱和状态，而且气液间的浓度梯度加大，也有利于CO2扩散到吸收液中，达到提高吸收率和传质速率的目的。由于MEA与CO2反应种类多，反应速率快，而DEA受其自身结构的影响，与CO2反应速率慢，在相同的时间内，其吸收CO2的速度较低，所以DEA对CO2脱除率和传质速率都小于MEA。PG与DEA、MEA的反应机理相似，但是PG由于其能水解出-COOH和OH-，并且OH-离子能参加吸收CO2的反应，所以其能更快更好地吸收烟气中的CO2。

图4液体流速对CO2脱除率的影响图5液体流速对CO2传质速率的影响3.3吸收液浓度对CO2脱除率和传质速率的影响

在室温、液体流速为12L/h、气体流速为1L/min的条件下，用浓度为0.1～1mol/L的吸收剂对实际烟气中的CO2进行吸收试验。通过图6和图7可知，增加吸收液浓度，CO2脱除率和传质速率均增加。随着吸收液浓度的不断提高，1mol/L的PG吸收CO2的效率从57%升高到96%，传质速率从0.48mol/（m2·h）升高到0.76mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收液对CO2的脱除率从54%升高到94%，传质速率从0.44mol/（m2·h）升高到0.75mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收液对CO2的脱除率从40%升高到81%，传质速率从0.33mol/（m2·h）升高到0.63mol/（m2·h）， 产生这种情况的主要原因是随着吸收液浓度的提高，吸收液中与CO2反应的有效成分将会增加，透过膜到达液侧的CO2会很快与液相中有效成分发生反应，从而降低液侧的CO2浓度，提高了脱除率。另一方面，增加吸收液浓度，吸收过程的化学反应增强因子增大，液相分传质系数增大，从而提高了总的传质速率。但吸收液从0.5mol/L增加到1mol/L的CO2脱除率的增长率只有10%左右要小于0.1mol/L到0.5mol/L的20%左右的增长率，产生这种情况的主要原因是当吸收剂浓度增大时，透过膜的CO2很快被反应掉，使得液侧溶质浓度保持在较低的水平，增大了传质推动力，从而使总传质阻力降低。但当吸收剂浓度增大到一定程度时，液相中的吸收剂浓度已经足够大，足以与穿透膜接触器的CO2进行反应，

4结论

（1）在相同条件下，3种吸收剂分离吸收CO2的效率为PG>MEA>DEA。

（2）随着吸收液浓度和流速增大，CO2的脱除率和传质速率提高，吸收液浓度对CO2脱除率和传质速率的影响要大于液体流速对其的影响。

（3）随着气体流速的增加，CO2脱除率逐渐减小，气速从1L/min增加到4L/min时CO2脱除率下降幅度达50%左右，但是传质速率大幅度增加。

参考文献：

[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：采用聚丙烯中空纤维膜接触器，用一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和氨基乙酸钾（PG）作为吸收剂对烟气中的CO2进行了吸收实验，研究气体流速、吸收剂流速和浓度等因素对CO2脱除率和传质速率的影响。结果表明：以上吸收剂分离吸收CO2的效率由大到小依次是PG、MEA、DEA。CO2的脱除率和传质速率随吸收剂浓度和流速的提高均增加；CO2脱除率随气体流量的增加而减小，但传质速率却随之增加。

关键词：聚丙烯中空纤维膜；二氧化碳；气体吸收

中图分类号：X511文献标识码：A文章编号：16749944（2014）02015603

1引言

当前随着世界各国对温室效应研究的日益深入，温室气体CO2的分离吸收已经成为学者们的研究重点。众所周知CO2的排放是导致全球变暖最主要的原因。2015年世界CO2排放总量达到334亿t，其中化石燃料电厂贡献了将近30%。因此，降低CO2排放量，必须对电厂烟道气中的CO2采取相应的处理措施。目前，烟道气中CO2的捕获方法主要有以下几种：物理吸收法、化学吸附法、膜分离法、化学循环燃烧等[1～3]。

膜分离法作为一种新型吸收分离CO2的方法与传统的分离设备相比有很多优势。如：膜接触器体积小，质量轻，操作灵活，传质速率快，气液两相互不干扰。流量范围比较宽，可依据情况进行调节，而且气液传质界面较大，最大可达3000m2/m3；并且具有固定的气液两相界面，不会出现液泛、雾沫夹带、沟流、鼓泡等情况。

本文基于膜接触器的分离吸收原理，采用目前被广泛使用的聚丙烯材料的膜接触器以氨基乙酸钾（PG）、二乙醇胺（DEA）、一乙醇胺（MEA）3种物质的水溶液作为吸收剂吸收烟气中的CO2，考察对膜吸收效果有较明显影响的因素。其中烟气为含10%CO2的实际烟气。

2实验部分

2.1实验装置

实验装置见图1。图1实验装置试验中，烟气通过减压阀控制气体压力，并经流量计计量后进入中空纤维微孔膜接触器，在管程流动，同时吸收液通过泵从储液罐中进入膜接触器内，在壳程流动，气液两相逆向流动发生反应，形成一种弱连接的化合物，从而被吸收液吸收。处理后的烟气取样后排空。

膜组件进出口气相组成由CP-3800气相色谱仪分析测定。膜组件由杭州海氧之家膜技术有限公司提供，其性能参数见表1。

3结果与讨论

3.1气体流速对CO2脱除率和传质速率的影响

在室温、进液流速为12L/h的条件下，分别用浓度为1mol/L的PG、MEA和DEA作为吸收剂对实际烟气进行吸收试验，通过图2可以看出，在液相流速不变的情况下，CO2脱除率会随着气体流速的增加而不断减小。气体流速从1L/min升高到4L/min时，1mol/L的PG吸收液对CO2的脱除率从98%下降到52%，1mol/L的MEA吸收液对CO2的脱除率从96%下降到48%，1mol/L的DEA吸收液对CO2的脱除率从81%下降到36%，产生这种情况的主要原因为增加气体流速会缩短气体在膜接触器中的停留时间，导致外侧的吸收液没有充足的时间与接触器中的CO2发生反应，从而降低了系统的脱除效率。通过图3可以得知，增加气体流速，总传质速率将会提高，气体流速从1L/min增加到4L/min，浓度为1mol/LPG的传质速率将从0.79mol/

3.2液体流速和吸收剂类型对CO2脱除率和传质速

率的影响在室温、吸收剂浓度为1mol/L、气体流速为1L/min下进行，分别用不同流速的吸收液对实际烟气进行吸收试验。通过图4和图5可以看出，当气体流速不变时，增大液体流速，脱除率和传质速率都会升高。液体流速从6L/h增加到12L/h时，浓度为1mol/L的PG吸收CO2的效率将从92%升高到99%，传质速率将从0.73mol/（m2·h）升高到0.78mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收CO2的效率将从93%升高到98%，传质速率将从0.73mol/（m2·h）升高到0.77mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收CO2的效率将从75%升高到84%，传质速率将从0.61mol/（m2·h）升高到0.67mol/（m2·h），产生这种情况的主要原因是增大液体流速，增加了吸收液的湍流频率，CO2能较快地从边界层扩散至吸收液中，使接触面吸收液不容易达到饱和状态，而且气液间的浓度梯度加大，也有利于CO2扩散到吸收液中，达到提高吸收率和传质速率的目的。由于MEA与CO2反应种类多，反应速率快，而DEA受其自身结构的影响，与CO2反应速率慢，在相同的时间内，其吸收CO2的速度较低，所以DEA对CO2脱除率和传质速率都小于MEA。PG与DEA、MEA的反应机理相似，但是PG由于其能水解出-COOH和OH-，并且OH-离子能参加吸收CO2的反应，所以其能更快更好地吸收烟气中的CO2。

图4液体流速对CO2脱除率的影响图5液体流速对CO2传质速率的影响3.3吸收液浓度对CO2脱除率和传质速率的影响

在室温、液体流速为12L/h、气体流速为1L/min的条件下，用浓度为0.1～1mol/L的吸收剂对实际烟气中的CO2进行吸收试验。通过图6和图7可知，增加吸收液浓度，CO2脱除率和传质速率均增加。随着吸收液浓度的不断提高，1mol/L的PG吸收CO2的效率从57%升高到96%，传质速率从0.48mol/（m2·h）升高到0.76mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收液对CO2的脱除率从54%升高到94%，传质速率从0.44mol/（m2·h）升高到0.75mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收液对CO2的脱除率从40%升高到81%，传质速率从0.33mol/（m2·h）升高到0.63mol/（m2·h）， 产生这种情况的主要原因是随着吸收液浓度的提高，吸收液中与CO2反应的有效成分将会增加，透过膜到达液侧的CO2会很快与液相中有效成分发生反应，从而降低液侧的CO2浓度，提高了脱除率。另一方面，增加吸收液浓度，吸收过程的化学反应增强因子增大，液相分传质系数增大，从而提高了总的传质速率。但吸收液从0.5mol/L增加到1mol/L的CO2脱除率的增长率只有10%左右要小于0.1mol/L到0.5mol/L的20%左右的增长率，产生这种情况的主要原因是当吸收剂浓度增大时，透过膜的CO2很快被反应掉，使得液侧溶质浓度保持在较低的水平，增大了传质推动力，从而使总传质阻力降低。但当吸收剂浓度增大到一定程度时，液相中的吸收剂浓度已经足够大，足以与穿透膜接触器的CO2进行反应，

4结论

（1）在相同条件下，3种吸收剂分离吸收CO2的效率为PG>MEA>DEA。

（2）随着吸收液浓度和流速增大，CO2的脱除率和传质速率提高，吸收液浓度对CO2脱除率和传质速率的影响要大于液体流速对其的影响。

（3）随着气体流速的增加，CO2脱除率逐渐减小，气速从1L/min增加到4L/min时CO2脱除率下降幅度达50%左右，但是传质速率大幅度增加。

参考文献：

[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：采用聚丙烯中空纤维膜接触器，用一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和氨基乙酸钾（PG）作为吸收剂对烟气中的CO2进行了吸收实验，研究气体流速、吸收剂流速和浓度等因素对CO2脱除率和传质速率的影响。结果表明：以上吸收剂分离吸收CO2的效率由大到小依次是PG、MEA、DEA。CO2的脱除率和传质速率随吸收剂浓度和流速的提高均增加；CO2脱除率随气体流量的增加而减小，但传质速率却随之增加。

关键词：聚丙烯中空纤维膜；二氧化碳；气体吸收

中图分类号：X511文献标识码：A文章编号：16749944（2014）02015603

1引言

当前随着世界各国对温室效应研究的日益深入，温室气体CO2的分离吸收已经成为学者们的研究重点。众所周知CO2的排放是导致全球变暖最主要的原因。2015年世界CO2排放总量达到334亿t，其中化石燃料电厂贡献了将近30%。因此，降低CO2排放量，必须对电厂烟道气中的CO2采取相应的处理措施。目前，烟道气中CO2的捕获方法主要有以下几种：物理吸收法、化学吸附法、膜分离法、化学循环燃烧等[1～3]。

膜分离法作为一种新型吸收分离CO2的方法与传统的分离设备相比有很多优势。如：膜接触器体积小，质量轻，操作灵活，传质速率快，气液两相互不干扰。流量范围比较宽，可依据情况进行调节，而且气液传质界面较大，最大可达3000m2/m3；并且具有固定的气液两相界面，不会出现液泛、雾沫夹带、沟流、鼓泡等情况。

本文基于膜接触器的分离吸收原理，采用目前被广泛使用的聚丙烯材料的膜接触器以氨基乙酸钾（PG）、二乙醇胺（DEA）、一乙醇胺（MEA）3种物质的水溶液作为吸收剂吸收烟气中的CO2，考察对膜吸收效果有较明显影响的因素。其中烟气为含10%CO2的实际烟气。

2实验部分

2.1实验装置

实验装置见图1。图1实验装置试验中，烟气通过减压阀控制气体压力，并经流量计计量后进入中空纤维微孔膜接触器，在管程流动，同时吸收液通过泵从储液罐中进入膜接触器内，在壳程流动，气液两相逆向流动发生反应，形成一种弱连接的化合物，从而被吸收液吸收。处理后的烟气取样后排空。

膜组件进出口气相组成由CP-3800气相色谱仪分析测定。膜组件由杭州海氧之家膜技术有限公司提供，其性能参数见表1。

3结果与讨论

3.1气体流速对CO2脱除率和传质速率的影响

在室温、进液流速为12L/h的条件下，分别用浓度为1mol/L的PG、MEA和DEA作为吸收剂对实际烟气进行吸收试验，通过图2可以看出，在液相流速不变的情况下，CO2脱除率会随着气体流速的增加而不断减小。气体流速从1L/min升高到4L/min时，1mol/L的PG吸收液对CO2的脱除率从98%下降到52%，1mol/L的MEA吸收液对CO2的脱除率从96%下降到48%，1mol/L的DEA吸收液对CO2的脱除率从81%下降到36%，产生这种情况的主要原因为增加气体流速会缩短气体在膜接触器中的停留时间，导致外侧的吸收液没有充足的时间与接触器中的CO2发生反应，从而降低了系统的脱除效率。通过图3可以得知，增加气体流速，总传质速率将会提高，气体流速从1L/min增加到4L/min，浓度为1mol/LPG的传质速率将从0.79mol/

3.2液体流速和吸收剂类型对CO2脱除率和传质速

率的影响在室温、吸收剂浓度为1mol/L、气体流速为1L/min下进行，分别用不同流速的吸收液对实际烟气进行吸收试验。通过图4和图5可以看出，当气体流速不变时，增大液体流速，脱除率和传质速率都会升高。液体流速从6L/h增加到12L/h时，浓度为1mol/L的PG吸收CO2的效率将从92%升高到99%，传质速率将从0.73mol/（m2·h）升高到0.78mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收CO2的效率将从93%升高到98%，传质速率将从0.73mol/（m2·h）升高到0.77mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收CO2的效率将从75%升高到84%，传质速率将从0.61mol/（m2·h）升高到0.67mol/（m2·h），产生这种情况的主要原因是增大液体流速，增加了吸收液的湍流频率，CO2能较快地从边界层扩散至吸收液中，使接触面吸收液不容易达到饱和状态，而且气液间的浓度梯度加大，也有利于CO2扩散到吸收液中，达到提高吸收率和传质速率的目的。由于MEA与CO2反应种类多，反应速率快，而DEA受其自身结构的影响，与CO2反应速率慢，在相同的时间内，其吸收CO2的速度较低，所以DEA对CO2脱除率和传质速率都小于MEA。PG与DEA、MEA的反应机理相似，但是PG由于其能水解出-COOH和OH-，并且OH-离子能参加吸收CO2的反应，所以其能更快更好地吸收烟气中的CO2。

图4液体流速对CO2脱除率的影响图5液体流速对CO2传质速率的影响3.3吸收液浓度对CO2脱除率和传质速率的影响

在室温、液体流速为12L/h、气体流速为1L/min的条件下，用浓度为0.1～1mol/L的吸收剂对实际烟气中的CO2进行吸收试验。通过图6和图7可知，增加吸收液浓度，CO2脱除率和传质速率均增加。随着吸收液浓度的不断提高，1mol/L的PG吸收CO2的效率从57%升高到96%，传质速率从0.48mol/（m2·h）升高到0.76mol/（m2·h），1mol/L的MEA吸收液对CO2的脱除率从54%升高到94%，传质速率从0.44mol/（m2·h）升高到0.75mol/（m2·h），1mol/L的DEA吸收液对CO2的脱除率从40%升高到81%，传质速率从0.33mol/（m2·h）升高到0.63mol/（m2·h）， 产生这种情况的主要原因是随着吸收液浓度的提高，吸收液中与CO2反应的有效成分将会增加，透过膜到达液侧的CO2会很快与液相中有效成分发生反应，从而降低液侧的CO2浓度，提高了脱除率。另一方面，增加吸收液浓度，吸收过程的化学反应增强因子增大，液相分传质系数增大，从而提高了总的传质速率。但吸收液从0.5mol/L增加到1mol/L的CO2脱除率的增长率只有10%左右要小于0.1mol/L到0.5mol/L的20%左右的增长率，产生这种情况的主要原因是当吸收剂浓度增大时，透过膜的CO2很快被反应掉，使得液侧溶质浓度保持在较低的水平，增大了传质推动力，从而使总传质阻力降低。但当吸收剂浓度增大到一定程度时，液相中的吸收剂浓度已经足够大，足以与穿透膜接触器的CO2进行反应，

4结论

（1）在相同条件下，3种吸收剂分离吸收CO2的效率为PG>MEA>DEA。

（2）随着吸收液浓度和流速增大，CO2的脱除率和传质速率提高，吸收液浓度对CO2脱除率和传质速率的影响要大于液体流速对其的影响。

（3）随着气体流速的增加，CO2脱除率逐渐减小，气速从1L/min增加到4L/min时CO2脱除率下降幅度达50%左右，但是传质速率大幅度增加。

参考文献：

[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