混合胺DETA/MDEA吸收解吸CO2的影响因素

张宇婷，王世飞，岳爱琴，张永坡，高春艳，杜维俊，邢国明，赵晋忠

（山西农业大学文理学院，山西 太谷 030801）

过去10 a，由于对化石燃料的依赖，导致大气中CO2的浓度增加[1]。政府气候专委会指出，CO2是导致全球变暖和气候改变的主要因素[2]，而全球变暖与气候改变是现如今的一个全球性的问题[3-4]。与此同时，CO2作为化工原料、致冷剂、油田增产剂、惰性介质、溶剂和压力源等，在国民经济各部门有着广泛的用途[5-8]。更值得一提的是，一定范围内，植物的光合作用随CO2浓度的升高而增强，CO2不仅可以提高作物产量，而且可以提高作物品质[9]，所以，二氧化碳还可用作“气体肥料”。近年来，人们对胺类物质吸收二氧化碳的研究逐步完善，对各种有机胺吸收二氧化碳的吸收性能的优点和缺陷也有了一定了解，为了弥补其不足开展了对混合胺的研究。陈春宜等[10]开展了TETA+DEA混合胺溶液脱碳试验，利用正交试验筛选出了最佳配比。文娟等[11]就混合胺MEA＋DETA对二氧化碳进行了脱碳试验。宿辉等[12]对多种吸收CO2的方法及吸收机理进行了研究与比较，结果发现，用有机胺吸收CO2比其他方法吸收的量大，且花费少，还可以进行多次循环吸收。

山西农业大学文理学院CO2富集利用课题组利用有机胺吸收CO2可以进行多次循环吸收这一特性为纽带，致力于将工业废气与设施农业结合起来。

李雪松等[13]研究发现，在单组分有机胺体系中，DETA对CO2吸收量明显比其他吸收剂要大，是优良的CO2吸收剂；陈杰等[14-15]研究发现，MDEA的再生温度低，再生时间短，再生效率高。山西农业大学文理学院CO2富集利用课题组研究发现，在二元复合体系中，DETA/MDEA为7∶3时，吸收和解吸都比较好，经过20次循环后，解吸量依然可观，再生效率保持在90%左右，可持续稳定地捕获和解吸CO2。本试验在上述研究的基础上，在吸收方面考察了温度、吸收剂总浓度等因素对CO2吸收量及吸收速率的影响；在解吸方面考察了外界温度、吸收剂总浓度等因素对CO2再生性能的影响，旨在筛选出吸收剂对CO2吸收、解吸及再生性能的最佳条件。

1 材料和方法

1.1 材料

纯度99.9%的CO2（金桥气体）；纯度大于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 吸收试验 如图1的吸收装置所示，将一定浓度的有机胺水溶液放入250 mL的反应容器中，通入二氧化碳气体（在使用前将CO2气体流量固定），而吸收剂温度用集热式磁力搅拌器保持恒定，并用浓硫酸来吸收流失的水，每隔2 min称取吸收剂和浓硫酸质量，通过称取吸收前后质量来确定其吸收量。当其质量不再增加，此反应结束。试验前用皂膜流量计测定CO2流速，固定流速从而固定压力。在压力一定，温度为298，308，318 K和质量分数为5%，15%，25%以及磁力搅拌器转速一定的条件下，进行吸收试验。每组通过3次连续重复试验，保证试验的准确性。

1.2.2 解吸试验 如图2的解吸装置所示，本试验通过用集热式磁力加热搅拌器来控制温度加热解吸，并安装冷凝管冷凝，由浓硫酸进行干燥，并由皂膜流量计测量释放速率（在使用前先校准皂膜流量计），在温度 368，378，388 K和质量分数 5%，15%，25%以及磁力搅拌器转速一定的条件下进行解吸试验。当解吸速率小于5 mL/min时，停止测定，解吸3 h停止。再用吸收装置进行吸收，其2次吸收量即为其解吸量。

2 结果与分析

2.1 混合胺对CO2的吸收情况

2.1.1 温度对吸收的影响 混合胺（DETA/MDEA为7∶3）在总浓度 15%（质量分数），温度（298，308，318 K）下，测定吸收剂吸收CO2的能力，结果如图3所示。

由图3可知，在不同温度下曲线可分为2个阶段：第1阶段是0～360 s，快速吸收阶段，吸收量迅速增加；第2阶段是360 s后，连续增加阶段，吸收量缓慢。这是因为反应初始阶段，吸收剂的碱性较大，与CO2的反应极容易，反应在第1部分就几乎完成；随着与CO2反应碱性的减弱，吸收速率减慢，使第2阶段吸收不明显。在360 s前温度高的吸收剂其吸收量也相应较大，说明在此时间段内温度对其吸收有促进作用；在360 s后，吸收情况与之前相反，298 K下吸收剂的吸收量高于其他温度。这可能是由于360 s后随着吸收剂对CO2吸收量增加缓慢，而吸收剂的溶解度却逐渐降低，吸收后生成热稳定性较差的产物，所以温度越高反而不利于吸收[11]。

由图4可知，吸收速率在240 s之前，温度高的吸收剂其吸收速率大；而随着时间的增加，在240 s后吸收情况与之前相反，温度越低吸收速率越大。298 K可视为常温，在此条件下，不仅吸收量大，且经济成本低，所以，298 K为最佳吸收温度，之后的试验都在298 K下进行。

2.1.2 总浓度对吸收的影响 混合胺（DETA/MDEA为7∶3）在温度298 K，浓度5%～25%区间内吸收量、吸收速率随时间的曲线如图5，6所示。

由图5，6可知，不同浓度的吸收剂对CO2的吸收都是呈初始阶段快速吸收，之后连续缓慢地吸收。浓度为25%的溶液其吸收量和吸收速率明显比其他浓度的小，这可能是因为25%的溶液浓度较大，比较黏稠，导致CO2在溶剂中的扩散效果受到阻碍从而影响了它的吸收[16-19]。而浓度为5%和15%的吸收剂，在480 s前，浓度大的吸收剂，其吸收量和吸收速率都较大；但在480 s后，吸收情况与之前相反。这可能是由于浓度为5%和15%的吸收剂在480 s前都较稀，所以在一定浓度内，浓度较大的吸收剂吸收性能好；而480 s后，随着吸收CO2的量增多，吸收剂黏稠度增加，CO2的吸收量减少，所以，CO2在浓度小的吸收剂中的扩散效果较好，最终吸收量大。

2.2 混合胺对CO2的解吸情况

2.2.1 温度对解吸的影响 在温度368～388 K条件下,对总浓度15%（质量分数）的混合胺（DETA/MDEA为7∶3）进行解吸。图7是测定了80 min内不同温度下的解吸速率。从图7可以看出，不同温度的混合胺解吸速率随时间的变化呈先升高后降低的趋势，这是由于加热过程中温度要逐渐升高到最大，所以，在初始阶段（0～14 min）解吸速率逐渐升高，当温度达到最大值后，解吸量增多，解吸速率逐渐降低。随着解吸温度的升高，解吸速率增大。388 K温度下的释放速率明显大于368，378 K。

由图8可知，曲线分为快速解吸阶段和缓慢解吸阶段。这是因为随着解吸温度的升高，解析量增多，当温度达到388 K时趋于缓慢增加，368 K下解吸量最低，这可能是由于部分与CO2反应的产物热稳定性高[18]，解吸温度较低，使CO2无法从中溢出；随着解吸温度升高，CO2的解吸量也随之升高。

2.2.2 总浓度对解吸的影响 在总浓度5%～25%、温度378 K条件下，对混合胺（DETA/MDEA为7∶3）进行解吸，测定了80 min内的不同总浓度下混合胺的解吸速率（图9），解吸速率随温度的升高逐渐升高，又随着解吸时间的增长解吸量增加而逐渐降低；不同总浓度对解吸速率影响较大，总浓度为15%的吸收剂，其解吸速率最大，而其他浓度的解吸速率相对较小。

由图10可知，25%的吸收剂解吸量最小，解吸速率较15%的小，5%的吸收剂解吸量最大，但其解吸速率最小，所以，15%的吸收剂兼具较好的解吸量和解吸速率。

2.3 混合胺的再生

2.3.1 温度对混合胺再生的影响 总浓度15%的吸收剂在不同温度（368，378，388 K）下进行解吸，解吸相同时间，进行2次吸收，测其再生量、再生温度和再生效率，结果如表1所示。解吸温度在368 K的条件下，再生量可达4.642 g，再生率可达79.73%；而解吸温度为378，388 K的条件下，再生量分别达到5.427，5.586 g，再生率分别为93.54%，96.19%。由此可知，相同解吸时间内，随着解吸温度的升高释放速率增大，再生量增加，再生率增加[20]。解吸温度为388 K的再生率与378 K相比增加不大，但378 K的能耗低。

2.3.2 总浓度对混合胺再生的影响 温度在378 K下，对不同总浓度（5%～25%）的混合胺进行解吸，解吸相同时间，进行2次吸收测其再生量、再生温度和再生效率，结果如表2所示。从表2可以看出，总浓度为5%的混合胺的吸收解吸量大，但其再生率较低；总浓度为25%的混合胺的吸收量、再生量和再生率都较低；总浓度为15%的混合胺的再生率最好。

表1 温度对混合胺再生的影响

表2 浓度对混合胺再生的影响

3 结论

本研究表明，温度和浓度是混合胺（DETA∶MDEA＝7∶3）对CO2吸收、解吸及再生性能的重要影响因素。在吸收初始阶段，不同温度的混合胺（DETA＋MDEA）吸收CO2的量、吸收速率随温度的增加而增加，但温度越高，在吸收过程中会伴随一定量的解吸，最终导致吸收量减少。而不同浓度的混合胺（DETA+MDEA）吸收CO2的量、吸收速率随浓度的增加而增加，但浓度越高的吸收剂随着对CO2吸收量增加黏稠度增加，扩散效果减弱，最终导致吸收量减少。温度越高越有利于解吸，解吸越彻底，再生效果越好。在一定范围内，浓度越高越有利于解吸，再生效果越好。

在吸收温度为298，308，318 K、解吸温度为368，378，388 K和总浓度为 5%，15%，25%条件下，混合胺吸收剂在298 K下吸收量最高。浓度为15%的混合胺吸收剂吸收量略低于浓度为5%吸收剂，但其解吸速率、解吸率和再生率都较高。综合考虑其吸收、解吸及再生性能可以得出，DETA∶MDEA为7∶3的混合胺性能最佳的复配剂为：吸收条件298 K、总胺浓度15%、解吸温度378 K。

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