超重力法处理室内过量CO2的实验研究

师小杰，刘有智，祁贵生，谷德银

（中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心，山西 太原 030051）

·技术信息·

超重力法处理室内过量CO2的实验研究

师小杰，刘有智，祁贵生，谷德银

（中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心，山西 太原 030051）

分析了几种常用的室内处理CO2气体方法的优缺点，其中传统方法吸收过程复杂且设备密封要求较高，虽然膜分离技术选择性较好，但是常温下压降为5～30 kPa，稳定性差。基于超重力技术运行稳定，且湿床压降仅为150 Pa的优势，本文提出了超重力法对室内低浓度的过量CO2气体进行处理，通过考察超重力因子、气液比、气体浓度对脱除效果的影响，确定了适宜的实验脱除条件：超重力因子131，气液比60。在适宜的实验脱除条件下，超重力法对室内不同浓度CO2气体的单次吸收率均达到26%以上且反应时间在0.1 s以内，经过8次循环CO2气体浓度从13750 mg/m3下降到800 mg/m3以下，脱除率达到90%以上。因此，采用超重力法处理室内过量CO2气体在技术上是可行的。

超重力法；室内过量CO2；超重力因子；脱除率

CO2是室内空气污染的主要污染物之一[1]，新鲜空气中CO2体积分数为0.04%，室内CO2体积分数约为0.07%，而人群密集处CO2浓度往往会比正常值高出数倍[2]。毒理学[3]研究表明，CO2体积分数达到0.10%时，人体有不适感，长期居住会感到难受、精神不振，甚至影响健康；达到1%时，人会有气闷，头昏，心悸；达到4%～5%时感到眩晕；达到6%以上时使人神志不清、呼吸逐渐停止以致死亡[4]。室内空气中CO2的个体敏感性差异很大，病人和特殊工作人员（飞机驾驶员、核电厂工作人员等）对CO2敏感性更高[5]。因而，对室内过量CO2进行治理越来越成为热门研究课题[6]。

利用CO2的弱酸性，使用碱性水溶液脱除过量CO2气体是工业生产中最常用到的方法之一，配置碱性水溶液常用的碱源有NaOH、KOH、Na2CO3以及有机胺等，且工业吸收CO2所需时间往往较长[7]。常用的有机胺有一乙醇胺（MEA）、N-甲基二乙醇胺（MDEA）和空间位阻胺等，MEA反应产物氨基甲酸盐具有较强腐蚀性；MDEA需加入多种添加剂才能缓解反应速率较慢的问题，价格极其昂贵；空间位阻胺法由国外科研机构（美国Exxon、日本三菱重工）提出，国内南化集团目前已工业化，虽吸收率高但结构复杂[8]。室内CO2浓度较工业中的来说要低很多，传统技术对低浓度CO2的捕集比较困难，例如密封舱室内利用单羟乙胺溶液、氢氧化锂和超氧化物作等为吸收剂进行吸收，由于过程繁冗且部分吸收剂有毒，所以吸收系统往往较为复杂且设备密封要求较高，而膜分离法和生物降解法还在实验室研究阶段[9-12]。超重力技术作为一种突破性的强化“三传一反”过程的新技术[13-15]，其具有传质效率高、液泛点低、处理量大、体积小、能耗低、微观混合均匀、安装方式灵活、易维修等优点[16]。为此，作者提出一种行之有效的吸收低浓度CO2的方法，采用实验室自发研制的超重力机作为反应器，以NaOH溶液为吸收剂，对不同浓度的微量CO2气体进行捕集，考察本方法对CO2气体在低浓度范围内的脱除效果，以指导今后的实际操作和研究工作。

1 实验部分

1.1 实验主要装置及试剂

实验主要装置：超重力机一台，实验室自行研发；罗茨风机一台，原平联通风机厂； CO2便携式检测仪，REA Systems公司，型号PGM-50；离心泵一台，石一泵业有限公司；

实验所用试剂：NaOH（片状工业纯），青海碱业有限公司；CO2气源（工业用气），晋太气体有限公司；浓盐酸，天津市申泰化学试剂有限公司；酚酞试剂。

1.2 实验流程

实验流程如图1所示，实验所用CO2气体来自CO2钢瓶，CO2气体由于压力的作用由钢瓶经减压阀、气体流量计进入缓冲罐，空气由罗茨风机经气体流量计进入缓冲罐，气体经过充分混合均匀后，经过流量计进入超重力机；吸收液由储液罐经离心泵和液体流量计进入超重力机，再经液体分布器喷洒到填料内缘，通过超重力场离心甩出。在填料层内，气体经填料旋转剪切，跟液体逆流接触，进行充分接触反应后，气体由出气口排出，液体由液体出口排出。在气体进口和出口处分别留有取样口，以检测CO2体积分数。

图1 实验流程示意图

操作参数：气体流量（G）10～30 m3/h，进气口气体CO2的体积分数（ϕ0）为（500～8500）×10-6，液体流量（L）40～700 L/h，NaOH浓度为0.2～2 kmol/m3，超重力因子在0～190，操作温度为室温。

1.3 分析测试方法

试验中吸收液和原料气体流量分别用液体和气体转子流量计测定；NaOH溶液实际浓度通过HCl标准溶液滴定后计算得到，滴定以酚酞作为指示剂；CO2脱除效率η定义为进出口CO2体积分数之差与进气口CO2体积分数的比值，如式（1）。

2 结果与讨论

通过上文提出的实验方法跟实验流程，分别从超重力因子[16]、气液比、气体浓度等方面考察了该实验设备在不同浓度的NaOH溶液对CO2气体脱除率的影响。

2.1 超重力因子对CO2气体脱除率的影响

超重力因子β是用来衡量超重力场强弱的，是旋转填料层平均离心加速度与常重力加速度之比，其积分化简式如式（2）。

从图2中可以看出，当其他实验条件恒定，NaOH溶液浓度增大，CO2气体脱除率略有增加，当超重力因子为21时，3种不同浓度NaOH溶液的脱除率差别不大，而随着超重力因子的不断增加，三者脱除率之间差值逐渐变大，当超重力因子达到131时，脱除率达到最大，超重力因子再增加到189时，脱除率下降，但不同浓度NaOH脱除率之间的差值与超重力因子等于131时的差值近似，其原因可能是：当超重力因子低时，填料对气液流体的剪切作用较小，对气液流场的扰动较小，填料间隙内气膜与液膜内的单向传质没有被有效加强，因此不同浓度的NaOH溶液的脱除率相差不大；随着超重力因子的增加，液体被剪切成更细的液丝、液滴和液膜，填料对液体的剪切效果提高，当超重力因子为131时近乎最佳；当超重力因子继续增加，虽填料的剪切效果不变，但液体所受离心力的加大使液体在填料中的停留时间变短，气液接触不足，以致脱除率有所下降。

图2 超重力因子β对CO2气体脱除率的影响（气液比75，入口CO2浓度1375 mg/m3）

图3 气液比对CO2气体脱除率的影响（超重力因子131，入口CO2浓度1375 mg/m3）

2.2 气液比对CO2气体脱除率的影响

从图3中得知，NaOH溶液浓度较高，其对CO2气体的脱除率也就越高；气液比由44逐步增大到60的过程中，NaOH溶液的脱除率缓慢提高，当气液比大于60后，NaOH溶液的脱除率迅速变小。分析其原因可能是：当气体流量一定时，增加气液比意味着减小进液量，气液比为300时，液体对填料的润湿不足，气液接触面积小，只有部分润湿的填料能与CO2气体反应，NaOH溶液浓度的高低，决定了单位面积液膜中OH-的量，故在一定程度上影响了单位时间内参与反应的分子数量，浓度高的溶液单位面积的液膜内OH-的量也会增大，在单位时间内参与反应的分子数量高于浓度低的溶液[18]，因此脱除率略有升高；随着气液比的减小，液体流量增加，填料的润湿面积不断增加，液体在填料中的剪切越来越完全，当气液比为60时，气体、液体流量达到一个较为适宜的值，脱除率达到实验点的最佳值；而气液比的继续增加，会有少量液体无法及时得到剪切，在填料层缓慢累积，相间接触面积减少，从而影响气液相之间的接触与反应，因而脱除率缓慢下降；当液体流量一定时，增加气液比意味着增大进气量，而气体流量决定了进口气速，也决定了气体在填料中的停留时间，在达到气液平衡所用时间长于停留时间的前提下，停留时间加长有利于吸收率的提高，因而气液比越大，脱除率越低。

2.3 入口气体浓度对CO2气体脱除率的影响

图4中，脱除率随入口气体浓度的增加呈先增大后缓慢减小的趋势，当气体浓度在1000～4000 mg/m3时，脱除率基本保持在27%～30%，表明对略高于大气标准浓度的CO2气体依旧具有稳定的脱除率；当入口气体浓度为11786 mg/m3时脱除率达到最大；而对于不同浓度的CO2气体，单次脱除率均保持在26%以上。实际操作中，将浓度为13750 mg/m3的CO2气体降至浓度800 mg/m3（大气CO2气体浓度近似值）以下，仅需进行8次循环处理，出口CO2气体脱除率便达90%以上。

图4 入口气体浓度对CO2气体脱除率的影响（超重力因子131，气液比60）

3 结 论

采用超重力法处理室内空气中的过量CO2气体，影响其脱除率的主要因素为超重力因子和气液流量。在室内环境中，其最佳操作参数：超重力因子131，气液比60，在此条件下，本方法单次脱除效率稳定在26%以上，将室内CO2气体浓度从13750 mg/m3下降到800 mg/m3以下仅需经过8次循环，脱除率便可达90%以上。对于传统设备无法处理室内过量CO2气体这一现状，利用超重力机体积小、强化传质的优势，采用超重力法实现了对室内过量CO2处理这一难题的突破，快速脱除室内过量CO2气体，对室内环境的净化研究具有重要意义，可用于指导今后的实际操作，为进一步的实验研究奠定基础。

符 号 说 明

g——重力加速度，m/s2

r1——填料层的内半径，m

r2——填料层的外半径，m

ω——角速度，ω=2πN/60，s-1

[1] 费维扬，艾宁，陈健. 温室气体 CO2的捕集和分离——分离技术面临的挑战与机遇[J]. 化工进展，2005，24（1）：1-4.

[2] 何超英，刘振宇. 新风与室内空气品质的测试与探讨[J]. 苏州大学学报：工科版，2003，23（2）：73-78.

[3] 孟紫强. 环境毒理学[M]. 北京：中国环境科学出版社，2000.

[4] 骆培成，焦真，王志祥，等. 填料塔中碱性水溶液对空气中微量CO2的净化[J]. 化工学报，2003，54（6）：824-829.

[5] 梁梅燕，马永福，倪士英，等. 秦山核电基地外围环境氚水平分析[J]. 辐射防护，2009（4）：255-260.

[6] Halmann Mm，Steinberg Meyer. Greenhouse Gas Carbon Dioxide Mitigation：Science and Technology[M]. Boca Raton：CRC Press，1998.

[7] 晏水平，方梦祥，张卫风. 烟气中 CO2化学吸收法脱除技术分析与进展[J]. 化工进展，2006，25（9）：1018-1024.

[8] 邢银全，刘有智，崔磊军. 超重力旋转床强化吸收烟道气中 CO2试验研究[J]. 现代化工，2007，2（11）：470-473.

[9] 张卫风，王秋华，方梦祥，等. 膜吸收法分离烟气二氧化碳的研究进展[J]. 化工进展，2008，27（5）：635-639.

[10] 秦向东，温铁军，金美芳. 脱除与浓缩二氧化碳的膜分离技术[J].膜科学与技术，1998，18（6）：7-13.

[11] 张亚涛，范立海，张林，等. 膜技术去除密闭空间中 CO2的研究进展[J]. 化学工程，2009，37（4）：75-78.

[12] Satyapal S，Filburn T，Trela J，et al. Performance and properties of a solid amine sorbent for carbon dioxide removal in space life support applications[J]. Energy & Fuels，2001，15（2）：250-255.

[13] 祁贵生，焦纬洲，刘有智. 新型填料结构旋转床传质特性[J]. 化学反应工程与工艺，2009，25（2）：109-115.

[14] Guo F，Zheng C，Guo K，et al. Hydrodynamics and mass transfer in cross-flow rotating packed bed[J]. Chemical Engineering Science，1997，52（21）：3853-3859.

[15] Chen Yushao. Correlations of mass transfer coefficients in a rotating packed bed[J]. Ind. Eng. Chem. Res.，2011（50）：1778-1785.

[16] 刘有智，邢银全，崔磊军. 超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究[J]. 化工进展，2007，26（6）：853-856.

[17] 刘有智. 超重力化工过程与技术[M]. 北京：国防工业出版社，2009.

[18] 渠丽丽，刘有智，楚素珍，等. 超重力技术在气体净化中的应用[J].天然气化工，2011，36（2）：56-59.

Experimental research on high gravity method treatment of excessive indoor CO2

SHI Xiaojie，LIU Youzhi，QI Guisheng，GU Deyin
（Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

This paper analyzes the advantages and disadvantages of several common methods dealing with indoor CO2. The traditional method of absorption is complex and requires a high degree of sealing device. Membrane separation technology has good selectivity，but at room temperature pressure drop is 5～30kPa and stability is poor. Based on the advantage of running stability and wet bed pressure drop of only 150Pa of high-gravity technology，this paper presents a method of using high-gravity technology to process indoor low concentration excessive CO2. By investigating high-gravity factor，gas-liquid ratio and gas concentration on removal effect，the the appropriate removal experiment condition is as follows：high-gravity factor is 131 and gas-liquid ratio is 60. Under the appropriate removal experiment condition，single cycle absorption rate for indoor different concentrations of CO2reaches more than 26%，reaction time is less than 0.1s，CO2concentration decreases from 13750 mg/m3to less than 800 mg/m3after 8 cycles and removal rate is up to 90%. Therefore，the high-gravity method to deal with indoor excessive CO2is feasible in technology.

high gravity method；indoor excessive CO2；high gravity divisor；removal rate

TQ 09

A

1000-6613（2014）04-1050-04

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.04.045

2013-08-30；修改稿日期：2013-10-18。

国家自然科学基金项目（21376229-21206153）。

师小杰（1986—）男，硕士研究生。联系人：刘有智，教授，博士生导师。E-mail lyzzhongxin@126.com。