二氧化碳捕集技术研究进展

邬高翔，田 瑞

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西 西安 710020）

二氧化碳是引起温室效应的重要物质。根据国际社会对环境领域的相关要求，未来需要不断减少二氧化碳的排放。在油气田生产和作业的过程中，会产生大量的二氧化碳，二氧化碳的产生对于环境保护工作而言十分不利。在另一方面，如果可以对二氧化碳进行合理的利用，也可以为油气田企业创造更大的经济价值，在对其进行利用之前，首先需要对二氧化碳进行捕集[1]。目前，国内外提出了众多的二氧化碳捕集方法，这些方法的机理不同，也具有不同的优缺点，本次研究主要是对目前常见的二氧化碳捕集方法进行深入研究，讨论其作用机理和应用优势，为推动二氧化碳捕集技术的进一步发展奠定基础。

1 二氧化碳捕集方法研究

1.1 溶剂吸收法

二氧化碳捕集过程中的溶剂吸收法可以根据溶剂类型的不同分为两种方法，分别是物理溶剂捕集法和化学溶剂捕集法，所谓的物理溶剂捕集法主要是依靠溶剂的溶解能力，对二氧化碳进行捕集，这个过程中不会产生化学反应，该捕集方法具有捕集效率高、溶剂用量少等优点，当二氧化碳分压相对较大时，可以使用该方法对其进行捕集作业[2]。所谓的化学捕集方法主要利用二氧化碳与某些溶剂之间的化学反应，对二氧化碳进行捕集作业，然后进行物质分解将二氧化碳脱离，最终达到纯化二氧化碳的目的，该种捕集方法的捕集效率相对较高，捕集过程中的能耗相对较大[3]。

1.2 物理吸附法

吸附法主要依靠物质之间的范德华力，对二氧化碳进行选择性的吸附，然后再通过降低压力或者升高温度的方式，将捕集的二氧化碳释放出来，最终达到二氧化碳分离的目的[4]。该种方法的应用成本相对较高，目前常见的吸附法可以分为两种类型，分别是变温吸附方法以及变压力吸附方法，在工业生产过程中，由于温度的调节速度相对较慢，因此，使用变温吸附法的效率相对较低[5]。对于变压力吸附法而言，该种方法已经在我国工业生产的气体分离工作中得到了广泛的应用，目前常见的吸附材料有分子筛和沸石，对高性能无污染的吸附材料进行研究开发是目前该领域面临的问题。

1.3 膜分离法

所谓的膜分离法主要是根据气体的筛孔效应，不同分子与不同的材料将会产生不同的热力效果以及动力效果。根据此原理方法，可以从混合气体中对二氧化碳进行有效的吸附。首先需要将混合气体输送到含有薄膜材料的通道中，在薄膜材料位置处，二氧化碳可以溶解其中并通过薄膜，其它组分无法通过，最终实现了二氧化碳分离的效果，目前常见的薄膜材料有聚钒以及醋酸纤维等。该类型的二氧化碳捕集方法稳定性相对较强，操作也相对较为简单，但是薄膜材料成本相对较高，吸收效率也相对较低，对低成本高性能的薄膜材料进行开发是膜分离法应用中面临的问题。

1.4 低温分离法

在使用低温分离法的过程中，首先需要对气体进行低温压缩处理，在气体冷凝以后，根据气体中不同组分沸点的差异，将二氧化碳脱离净化。该方法在使用的过程中，二氧化碳的分离要求相对较高，在进行低温压缩作业的过程中，需要消耗大量的能量，目前该种技术方法正处于研究阶段。

2 二氧化碳捕集机理研究

2.1 穿梭机理

穿梭机理又可以被称作为醇胺穿梭机理。该种机理认为，在气液交界面位置处，部分醇胺分子将会与二氧化碳相互结合，进而产生了氨基离子。这个过程中所需要消耗的醇胺分子也将会得到不断的补充，但是醇胺离子的补充速度将远低于醇胺分子与二氧化碳的结合速度，此时系统中将产生一种扩散作用，二氧化碳将会处于穿梭状态，二氧化碳在溶剂中的传质速度得到了提升，二氧化碳的捕集效率也就得到了提高。

2.2 伯胺、仲胺捕集机理

所谓的伯胺分子以及仲胺分子主要指的是在氮原子周围存在氢原子的分子，伯胺分子以及仲胺分子在水中非常容易出现水解作用，进而使得整个溶解呈现碱性，碱性的溶液会与二氧化碳等酸性分子产生反应，反应产物为两性离子，该捕集机理又可以被称之为两性离子机理。该理论在20世纪60年代被首次提出，并使用乙醇胺与二氧化碳之间的反应对其进行了研究，该机理解释了伯胺分子、仲胺分子与二氧化碳的反应过程。部分学者认为伯胺分子、仲胺分子与二氧化碳进行反应的过程中，会首先产生由疏松键所连接的中间产物，这种产物只是瞬间产生，存在的时间也相对较短，在中间产物的疏松键断裂以后，最终才转化为了溶剂分子。

2.3 叔胺捕集机理

所谓的叔胺分子指的是氮原子周围没有氢原子的分子，与伯胺分子以及仲胺分子不同，叔胺分子在于二氧化碳进行反应的过程中，并不会直接产生氨基根离子，而是产生了中间产物，最终生成了碳酸氢根离子。在整个反应的过程中，叔胺主要起到催化的作用，这主要是因为叔胺分子会与水中的氢键结合，进而使得水中的氢氧根离子活性降低，二氧化碳的水化作用逐渐增强。

2.4 阻胺捕集机理

阻胺分子主要指的是氮原子周围带有空间阻结构的分子，由于空间阻的存在会阻碍醇胺与二氧化碳的结合，因此，也会使得氨基甲酸盐的活性降低，氨基甲酸盐非常容易在水中产生水解作用，进而产生了碳酸氢根离子，碳酸氢根离子的存在会使得二氧化碳的捕集速度提升。

3 结语

对于油气田的生产作业，进行二氧化碳的捕集既可以为油田企业创造额外的经济效益，又有利于环境保护工作，油田企业需要加强二氧化碳捕集技术研究，并加快捕集工程的应用。目前工程中常见的几种二氧化碳捕集技术各有优缺点，对于不同二氧化碳气源的适用性有所差异，因此，油气田企业需要根据实际情况对二氧化碳捕集技术进行合理的选择。