固定化碳酸酐酶催化吸收模拟烟气中CO2实验研究

李娟，张琳，孙莹，杨林军，2

（1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096；2中国矿业大学江苏省煤基CO2捕集与地质封存重点实验室，江苏 徐州 221008）

固定化碳酸酐酶催化吸收模拟烟气中CO2实验研究

李娟1，张琳1，孙莹1，杨林军1，2

（1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096；2中国矿业大学江苏省煤基CO2捕集与地质封存重点实验室，江苏 徐州 221008）

利用表面羧基化四氧化三铁和戊二醛交联法实现碳酸酐酶的固定，对比考察了游离态碳酸酐酶和固定化碳酸酐酶对CO2催化吸收效果的影响；还自行设计了填料塔反应装置，在填料塔式反应器中进行了固定化碳酸酐酶催化吸收CO2实验，考察了操作条件及共存气体SO2对固定化碳酸酐酶催化吸收CO2性能的影响。结果表明，游离态碳酸酐酶和固定化碳酸酐酶可缩短CO2达到饱和浓度所需的时间；同时，得到最优的操作条件为：液气比为28L/m3，气体流速为25.5cm/min，单位塔体积加酶量为600mg/L（载酶量2mg/L），吸收液温度为35℃；固定化碳酸酐酶经连续5h催化吸收CO2后，CO2的去除效率仍可维持在30%以上；此外，SO2的存在不利于固定化碳酸酐酶对CO2的催化吸收。

固定化酶；二氧化碳；催化吸收；填料塔反应器

我国是CO2排放大国，且排放量逐年上升，预计2030年达到峰值[1]，减少CO2的排放显得尤为重要。现有的CO2捕集技术主要有吸附技术[2-3]、吸收技术[4-5]、膜技术[6-7]等。众多燃煤电站CO2捕集和封存技术中，利用碳酸酐酶（CA）仿生物法捕集低浓度CO2的研究逐步受到学者关注。

在CA捕集低浓度CO2的研究中，主要关注操作条件对固定化酶活性的影响和固定化酶稳定性等方面内容。FEI等[8]分别利用表面氨基化和表面环氧官能化修饰的介孔分子筛（SBA-15）进行CA固定化实验，发现经表面修饰后的载体材料对酶的固定化效果比较明显，且经表面环氧官能团化修饰后的载体固定CA效果更佳。OZDEMIR[9]将CA固定到聚氨酯泡沫（PU）上，结果显示，CA经固定化后，酶的活性较游离酶的活性有所降低，但固定化CA具有良好的操作稳定性，且贮藏稳定性也显著高于游离酶，但对固定化酶的应用没有进一步研究。ZHANG等[10]将CA固定到纳米级二氧化硅上，考察了固定化条件对酶活性的影响，研究表明固定化酶的热稳定和pH稳定性得到很大提高。

目前利用CA进行CO2催化吸收试验的研究相对较少。朱轶林等[11]进行了固定化CA在鼓泡塔式反应器中催化吸收CO2性能研究，考察了加酶量和气体流量对吸收液pH和反应终止pH的影响，结果表明固定化酶催化吸收CO2效果显著，且具有较高的操作稳定性。HOU等[12]开发了一种新型生物催化气液膜接触器，将固定到纳米TiO2的固定化酶悬浮在吸收剂中促进CO2水合反应，结果显示，经10个周期操作后，生物催化气液膜接触器对CO2仍有较好的吸收效果。但对固定化CA应用的研究中，利用填料塔式反应器催化吸收CO2的研究相对较少。本文利用表面羧基化四氧化三铁为载体，制作固定化酶，在填料塔式反应器中进行了CA催化吸收CO2实验，考察了气量、浓度、液气比、加酶量、吸收液温度和共存气体SO2等对CA催化吸收CO2性能的影响。

1 实验方法

1.1 实验材料

CA购自南京都莱生物技术有限公司，白色粉末状，保存温度2～8℃；FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、25%浓氨水、油酸、KMnO4、三羟甲基氨基甲烷（Tris）、对硝基乙酸苯酯、戊二醛（25%）、盐酸，均为分析纯。CO2（99.99%）、N2（99.9%）和SO2（99.99%），购自南京上元工业气体厂。

1.2 固定化CA制备和酶活测定

首先用FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、25%浓氨水、油酸、KMnO4等化学试剂制得表面羧基化四氧化三铁，干燥后过100目筛，即制得CA的载体材料。

称取30mg载体材料于50mL离心管中，分别向离心管中加入10mL Tris-HCl（pH=8.0）缓冲液和1mL CA溶液（溶于pH=8.0的缓冲液中），置于30℃、转速250r/min的恒温摇床中，待固定化反应进行3h时，向离心管中加入1mL摩尔分数为0.4%的戊二醛交联剂，再进行1h的交联反应。磁力分离，用缓冲溶液洗涤数次，再用吸水纸吸干表面水分，置于4℃冰箱中冷藏备用。

CA的活力测定方法采用紫外分光光度计法，酶活的计算公式如式(1)。

式中，A348,酶和A348,空白对照分别表示样品和空白对照组在波长为348nm处的吸光度值；Vt为反应总体系，mL；e为p-NP的摩尔消光系数；Vs为酶液体积，mL；d为比色皿厚度，1cm。

固定化CA活性采用酶活回收率和相对酶活来表征，其计算公式如式(2)、式(3)。

实验制备的固定化酶在最优的操作条件下最佳固定化酶活力为1672.5units/mg，酶活回收率最大可达到66.90%。

1.3 固定化CA催化吸收CO2实验

图1为固定化CA催化吸收模拟烟气中CO2的实验系统示意图，填料塔反应器高1000 mm，内径50mm，底部布置有进气口和支撑板。支撑板上放有石英棉包裹的固定化酶，且填料上下底部布设有钕铁硼磁球层，粒径4mm，以防止固定化酶在气流和吸收液的冲刷下脱落。CO2和N2经静态混合器从吸收管底部进入填料塔；来自恒温水浴锅中的吸收液从反应器上部进入填料塔，在填料层处与气体逆流接触；气体催化吸收CO2后，剩余气体从反应器上部经气体净化器进入GC-9070型气相色谱仪，在线监测反应器出口CO2浓度。

图1 固定化CA催化吸收模拟烟气中CO2实验装置

2 结果与讨论

2.1 CA催化吸收CO2过程中溶液pH变化特性

2.1.1 游离态CA催化吸收CO2对溶液pH的影响

在pH≈6.8（1L）的吸收液中通入2.0L/min 12%的CO2（88% N2）气体，采用便携式pH计考察不同量游离酶（1mL、2mL、3mL、4mL，游离酶量分别0.1mg、0.2mg、0.3mg、0.4mg）对CO2吸收性能的影响，试验结果如图2所示。由图2可见，游离酶的加入可明显降低CO2达到饱和浓度的时间。CO2吸收初期，随着游离酶量的增加，CO2吸收速率越快，吸收液越快达到CO2饱和浓度；当加入4mL游离酶时，溶液达到CO2饱和浓度的时间约为180s。

图2 游离态CA催化吸收CO2对溶液pH的影响

2.1.2 固定化CA催化吸收CO2对溶液pH的影响

图3 固定化CA催化吸收CO2对溶液pH的影响

在pH≈6.8（1L）的吸收液中通入2.0L/min体积分数为12%的CO2（88% N2），采用便携式pH计定性地考察不同量固定化酶（30mg、60mg、90mg、120mg，载酶量分别为0.1mg、0.2mg、0.3mg、0.4mg）对CO2吸收性能的影响，试验结果如图3所示。由图3可见，CO2吸收初期随着固定化酶量的增加，可用于催化吸收CO2的酶量增多，吸收速率越快，溶液越快接近饱和浓度。当固定化酶催化吸收反应达到200s时，溶液pH可从6.8下降到4.79，下降了2.01个pH单位；而相同的时间内，在没有固定化酶加入的情况下，持续通入CO2气体，溶液的pH从6.87下降到5.93，仅下降0.94个单位。

2.2 操作条件对固定化CA催化吸收CO2性能的影响

2.2.1 液气比对CO2催化吸收性能的影响

填料塔中加入1.2g固定化酶（载酶量4mg），并以超纯水为吸收剂，通入气体流速25.5cm/min、体积分数为16.8%的CO2（83.2% N2）气体，液气比18～32L/m3，采用气相色谱在线检测不同液气比下的出口CO2浓度，实验中气量不变。结果如图4所示，液气比越大CO2去除效果越好，但随着液气比进一步增大，出口CO2体积分数下降幅度趋于平缓。由于CA催化吸收CO2是在液相环境下进行，吸收液量越大，被CA催化吸收的CO2越容易进到液相环境中生成HCO3–或者CO32–。

2.2.2 气体流速对CO2催化吸收性能的影响

图4 液气比对CO2催化吸收性能的影响

填料塔中加入1.2g固定化酶（载酶量4mg），并以超纯水为吸收剂，通入16.8%的CO2（83.2%N2）气体，液气比为28L/m3，改变气体流速分别为5.1cm/min、10.2cm/min、15.3cm/min、20.4cm/min、25.5cm/min、30.6cm/min，测出口CO2浓度。实验结果如图5所示，可见随着进口气体流速增大，CO2去除效率降低。当气体流速增大时，CO2停留时间缩短；同时，由于填料中固定化酶的量一定，气体流速增大，CO2分子数目越多，而被固定化碳酸酐酶催化吸收的CO2数目有限，从而去除效率降低。气体流速为5.1cm/min时，CO2去除效率可达到90%。

图5 气体流速对CO2催化吸收性能的影响

2.2.3 浓度对CO2催化吸收性能的影响

填料塔中加入1.2g固定化酶（4mg CA），并以超纯水为吸收剂，液气比控制在28L/m3，气体流速为25.5cm/min，改变CO2和N2的配比，CO2体积分数为9.8%～20.5%。结果如图6所示，可见，CO2出口浓度随着进口浓度的增加而增加，但CO2去除效率呈现先上升后下降的趋势。CO2浓度低时，单位体积的CO2分子数较少，根据分子碰撞原理，CO2与酶分子接触反应的机率相对较小；当体积分数为16.8%时，CO2去除效率最大；随着CO2体积分数进一步增加，由于酶分子数目有限，同一时间内可催化吸收CO2数目有限，因此随着CO2体积分数增加，去除效率降低。

图6 CO2进口体积分数对催化吸收性能的影响

2.2.4 单位塔体积加酶量对CO2催化吸收性能的影响

以超纯水为吸收剂，向填料吸收管中通入16.8%的CO2（83.2% N2）气体，液气比为28L/m3，气体流速为25.5cm/min，改变填料管中固定化酶的量为150～900mg/L，对应的载酶量范围为0.5～3mg/L。结果如图7所示，填料塔中加酶量越多，CO2催化吸收效果越好。随着固定化酶量的增多，可用于催化吸收CO2的酶分子数目增多，单位时间内捕集CO2数目越多，CO2去除效率越高。

2.2.5 吸收液温度对CO2催化吸收性能的影响

填料塔中加入1.2g固定化酶（载酶量4mg），并以超纯水为吸收剂，通入16.8%的CO（283.2% N2）气体，液气比为28L/m3，气体流速为25.5cm/min，吸收液温度25～55℃。图8为不同温度下的CO2去除效率实验结果，随着温度的升高，CO2的去除效率先升高后下降。吸收液温度为35℃时，固定化酶催化吸收CO2的效率最高。吸收液温度影响酶的活性，35℃是固定化酶的最适酶活温度，这与酶的固定化实验考察温度对酶活性影响的结果一致[13]。吸收液温度过高或者过低都影响酶的活性，从而影响CO2的去除效率。

图7 单位体积载酶量对CO2催化吸收性能的影响

图8 吸收液温度对CO2催化吸收性能的影响

2.3 长时间操作下CO2催化吸收性能

填料塔中加入1.2g固定化酶（载酶量4mg），并以超纯水为吸收剂，通入16.8%的CO（283.2% N2）气体，液气比为28L/m3，气体流速为25.5cm/min，吸收液温度为35℃，考察长时间操作（1～5h）下的CO2催化吸收性能。试验结果如图9所示，随着操作时间的延长，CO2去除效率逐渐下降。可从两个方面解释这一现象：一方面，固定化酶长时间暴露在35℃的环境下，酶的活性随着暴露时间的延长逐渐下降；另一方面，在液相和气相的冲刷下，有少量的固定化酶随吸收液从填料层处脱落下来，催化剂量减少，从而CO2去除效率降低。经过5h连续催化吸收后，CO2的去除效率降至32%。为了有效地防止CO2催化吸收性能的降低，可采取的措施是，在填料层下增加一层用磁性材料制作的多孔支撑材料，因为本文使用的固定化载体具有磁性，因此在填料层下方增加一层磁性材料制作的多孔支撑板，进而可有效地防止固定化酶的脱落造成的酶损失。

图9 长时间操作下CO2催化吸收性能

2.4 共存气体SO2对CO2催化吸收性能影响

填料塔中加入1.2g固定化酶（载酶量4mg），并以超纯水为吸收剂，通入16.8%的CO（283.2% N2）气体，液气比为28L/m3，气体流速25.5cm/min，吸收液温度为35℃，考察共存杂质SO2对CO2催化吸收性能的影响。实验结果如图10所示，可见，随着SO2的加入，降低了CO2的去除效率，SO2浓度越高，影响越大。SO2易溶于吸收液中，由于填料层处于湿润环境下，故存在着SO32–和H+，随着SO2浓度增大，填料层处SO32–和H+增多，pH越低，从而固定化碳酸酐酶的活性受到抑制，催化吸收CO2效果变差。

图10 SO2浓度对CO2催化吸收性能的影响

3 结论

本实验以表面羧基化四氧化三铁为载体来制作固定化酶，考察了固定化酶在填料塔反应器中CA对CO2催化吸收性能的影响。实验结果如下。

（1）游离酶和固定化酶的存在，可大大减少CO2达到饱和浓度所需时间。

（2）在填料塔式反应器中，考察了操作条件对CO2催化吸收性能的影响，得到最优的操作条件为：液气比28L/m3，气体流速25.5cm/min，CO2气体进口体积分数16.8%，单位塔体积加酶量600mg/L（载酶量2.0mg/L），吸收液温度35℃。

（3）由于长时间暴露，以及液体和气体的冲刷，固定化酶经5h的连续催化吸收后，CO2的催化吸收效率有明显减低。

（4）在最优的操作条件下，SO2的存在不利于CA对CO2的催化吸收效果。

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Experimental studies on catalytic absorption of CO2in simulated flue gas by immobilized carbonic anhydrase

LI Juan1，ZHANG Lin1，SUN Ying1，YANG Linjun1，2
（1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China；2Key Laboratory of Coal-based CO2Capture and Geological Storage，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China）

The carbonic anhydrase was immobilized by the carboxylated Fe3O4and glut-aldehyde cross-linking method in this study. The effects of the free carbonic anhydrase and immobilized carbonic anhydrase on the CO2absorption were compared. A packed tower reactor was designed. The effect of the operating conditions and SO2on the performance of CO2catalytic absorption with the immobilized carbonic anhydrase was investigated in the packed tower reactor. The results showed that the free enzyme and immobilized enzyme could shorten the time of CO2reaching saturation concentration. The optimal operating conditions，such as the ratio of liquid to gas，the gas flow rate，enzyme dosage of the unit tower volume，and absorption liquid temperature，were 28L/m3，25.5cm/min，600mg/L，and 35℃，respectively.The CO2removal efficiency could still reach more than 30%，after catalytic absorption with the immobilized enzyme for 5h. The existence of SO2had negative effect on the CO2catalytic absorption.

immobilized enzyme；carbon dioxide（CO2）；catalytic absorption；packed tower reactor

X511

：A

：1000-6613（2017）09-3502-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0012

2017-01-04；修改稿日期：2017-05-04。

高等学校博士学科点专项科研基金（20130092110005）、江苏省煤基CO2捕集与地质储存重点实验室（2016年）开放基金（2016A05）、国家自然科学基金（51176034）及东南大学优秀博士学位论文基金（YBJJ1508）项目。

李娟（1990—），女，硕士，从事CO2捕集和封存研究。E-mail：1527449899@qq.com。联系人：杨林军，博士，教授，主要从事PM2.5、脱硫、脱硝、CO2捕集方面的研究。E-mail：ylj@seu.edu.cn。