乙醇胺-二甲基亚砜无水溶液吸收-解吸二氧化碳性能

文_姚靖 梁怀勇 潘艳艳 周小斌

1. 桂林理工大学环境科学与工程学院 2.广西环境污染控制理论与技术重点实验室

减缓气候变暖，对CO2实施控制与减排已成为全球共识。CO2的排放主要来源于能源系统，尤其是燃煤电厂。因此，对电厂烟气实施CO2捕集和利用是实现碳减排的有效手段。目前，基于乙醇胺水溶液（MEA-H2O）的化学吸收法是烟气CO2捕集最有效的方法之一。然而，MEA-H2O 用于CO2捕集存在再生能耗高、处理成本昂贵的缺陷。

对于MEA-H2O 而言，过高的再生能耗主要是由于溶剂水较大的比热和蒸发焓。同水相比，有机溶剂具有较低的比热和蒸发焓，因此用有机溶剂代替水构建无水吸收剂是降低CO2捕集能耗行之有效的手段。近年来，研究者们相继开发出MEA-甲醇、MEA-甲基甲酰胺（NMF）、MEA-乙醇、MEA-苯甲醇、MEA-乙二醇单甲醚（2ME）等无水吸收剂用于低能耗CO2捕集。然而，醇类溶剂沸点低、蒸气压大，在CO2捕集过程中易挥发损失；酰胺或醚类作为溶剂时，MEA 的CO2吸收负荷较低。寻找合适的有机溶剂用于构建新型MEA 无水吸收剂仍是研究的重点。

二甲基亚枫（DMSO）具有沸点高、蒸气压低、热稳定性好的优点，同时其具有高极性，能在一定程度上促进有机胺与CO2的反应，提升胺的CO2吸收负荷。因此，本文拟以DMSO作为溶剂，MEA 作为吸收活性组分，构建MEA-DMSO 无水吸收剂用于CO2捕集，全面考察该新型吸收剂的CO2吸收-解吸性能。

1 材料与实验装置

1.1 材料

乙醇胺（MEA，纯度99.0%）、二甲基亚枫（DMSO，纯度99.8%）等试剂均为分析纯，购买于上海阿拉丁生化科技有限公司。CO2气体（纯度99.999%）购买于桂林如一生物科技有限公司。配置水溶液所用的水为实验室自制去离子水。

1.2 实验装置

实验所用装置主要有CO2吸收装置和解吸装置。吸收装置由CO2气瓶、气体流量控制器、流量显示仪、鼓泡吸收管、恒温水浴锅、皂膜流量计等组成（见图1）；解吸装置由冷凝管、磁力搅拌油浴锅、洗气瓶、皂膜流量计等组成（见图2）。

图1 CO2 吸收装置

图2 CO2 解吸装置

2 实验方法

2.1 吸收实验

为避免吸收CO2后粘度过大，无水吸收剂中胺的质量分数一般不超过20%。因此，本研究配制MEA 质量分数为20%的MEA-DMSO 溶液用于CO2吸收。首先，将配制的溶液置于鼓泡吸收管中加热到所需温度，随后向吸收管中通入纯CO2气体（气体流量设定为80mL·min-1），通过皂膜流量计测定不同时刻下吸收管出气口的CO2流速。基于吸收管进、出口的气体流量差，即可计算CO2吸收速率。

2.2 解吸实验

CO2解吸实验在解吸装置中进行。将CO2饱和的溶液移至磁力搅拌油浴锅中加热至所需温度，当溶液开始冒泡时开始解吸计时，随后利用皂膜流量计测定不同时刻下溶液释放CO2的速率。通过计算，即可得到溶液的CO2解吸负荷。

此外，另配制30wt% MEA 水溶液（MEA-H2O）用于与MEA-DMSO 溶液进行CO2吸收-解吸性能对比。以上吸收/解吸实验均进行了重复实验。

2.3 计算方法

吸收过程中，CO2瞬时吸收速率可根据吸收管进、出口气体流量差计算得到：

式中ra为CO2瞬时吸收速率（mol·min-1·kg-1），Qin和Qout分别为进、出口流量（mL·min-1），T0和Tact分别为标准状态和实际状态下的温度（K），P0和Pact分别为标准状态和实际状态下的大气压强（kPa），m为吸收剂质量（kg）。

吸收剂的CO2吸收负荷可由吸收速率对时间积分求得：

式中α为CO2吸收负荷（mol·mol-1），t为吸收时间（min），C为MEA 浓度（mol·kg-1）。

解吸过程中，CO2瞬时解吸速率可由式（3）计算得到：

式中rd为CO2解吸速率（mol·min-1），为冷凝管出口气体流量（mL·min-1）。

CO2解吸负荷可由解吸速率对解吸时间积分求得：

式中 为CO2解吸负荷（mol·mol-1），t为解吸时间（min），C为MEA 浓度（mol·kg-1），V为吸收剂体积（L）。

3 结果与讨论

3.1 CO2吸收性能考察

研究首先考察了MEA-DMSO 在40℃下的CO2吸收性能，并以MEA-H2O 溶液的CO2吸收性能作为对比。图3 为2 种吸收剂的CO2吸收负荷随吸收时间的变化曲线，2 种吸收剂的吸收负荷均随着时间的增加而增加，40min 后接近于饱和，达到吸收饱和后MEA-DMSO 的吸收负荷高达0.71mol·mol-1，比MEA-H2O 的吸收负荷（0.57mol·mol-1）高24.6%。由此可见，以DMSO 代替水作为溶剂可显著提高MEA 的CO2吸收能力。

图3 MEA-DMSO 和MEA-H2O 在40℃下的CO2 吸收负荷对比

烟气经过湿法脱硫后的温度通常在40 ～55℃之间，因此MEA-DMSO 能否在该温度范围内保持良好的CO2吸收能力对于其实际应用具有重要意义。研究考察了MEA-DMSO 在30～60℃温度范围内的CO2吸收性能。如图4所示，在不同温度下，MEA-DMSO 的CO2吸收负荷均随时间的增加迅速升高并最终达到吸收饱和。MEA-DMSO 的饱和吸收负荷随温度的升高并未呈现明显的降低，在60℃下依然能保持0.68mol·mol-1。此结果表明，MEA-DMSO 具有稳定的CO2吸收能力，能适应烟气脱硫后的温度范围。

图4 MEA-DMSO 在不同温度下的CO2 吸收负荷

3.2 CO2解吸性能考察

除了吸收性能，解吸性能也是评价吸收剂的重要指标。研究考察了MEA-DMSO 和MEA-H2O 在100 ～120℃下的CO2解吸性能。图5 为2 种吸收剂在不同温度下CO2解吸速率随时间的变化曲线，在不同温度下，2 种吸收剂的CO2解吸速率均随时间的增加先升高后下降，25min 后解吸速率趋向于零。2种吸收剂的最大解吸速率均随温度的升高而升高。在同一温度下，MEA-DMSO 的最大CO2解吸速率显著高于MEAH2O。例如，在120℃下，MEA-DMSO 的最大解吸速率为0.23mol·min-1·kg-1，而MEA-H2O 的最大解吸速率仅为0.14mol·min-1·kg-1。

图5 MEA-DMSO 和MEA-H2O 在不同温度下的CO2 解吸速率

图6 为MEA-DMSO 和MEA-H2O 在不同温度下的CO2解吸负荷，2 种吸收剂的解吸负荷均随温度的升高而升高，说明提高温度有利于CO2解吸。在同一温度下，MEA-DMSO 的解吸负荷显著高于MEA-H2O。例如，在120℃下，MEA-DMSO的解吸负荷可达0.38mol·mol-1，该值是MEA-H2O 解吸负荷（0.29mol·mol-1）的1.31 倍。以上结果表明，相较于MEAH2O，MEA-DMSO 具有更优异的CO2解吸性能。较高的CO2解吸速率和解吸负荷，不仅能缩短吸收剂的CO2解吸时间，同时能降低气体的压缩功，有利于降低CO2捕集运行成本。

图6 MEA-DMSO 和MEA-H2O 在不同温度下的CO2 解吸负荷

3.3 循环吸收实验

循环吸收性能可用于评估吸收剂的长期使用稳定性。研究考察了MEA-DMSO 吸收剂的6 次循环吸收性能，相比于第一次吸收，MEA-DMSO 第二次吸收CO2的负荷有较为明显的下降，由0.71 降至0.38mol·mol-1。这可能是由于MEA-DMSO与CO2反应生成了部分难以热分解的产物，导致吸收剂的活性组分浓度降低，从而影响后续CO2吸收。但从第二次吸收开始，随着循环吸收次数的增加，吸收负荷仅呈现轻微的降低。经历6次循环吸收，MEA-DMSO的CO2负荷仍可保持0.33mol·mol-1。此结果说明，MEA-DMSO 具有良好的循环吸收稳定性，是一种颇具应用潜力的CO2吸收剂。

4 结论

本文以MEA 为活性组分，DMSO 为溶剂，配制MEADMSO 无水吸收剂用于CO2捕集。吸收性能研究表明，在40℃下，MEA-DMSO 的CO2吸收负荷高达0.71mol·mol-1，该结果比传统MEA 水溶液的吸收负荷高24.6%；在30 ～60℃的温度范围，MEA-DMSO 的CO2负荷随温度的升高呈现轻微降低。解吸性能研究表明，MEA-DMSO 的最大CO2解吸速率和解吸负荷均随温度的升高而升高，在120℃，两者可达0.23mol·min-1·kg-1和0.38mol·mol-1，远优于MEA 水溶液。此外，MEA-DMSO 具有稳定的CO2循环吸收性能，经历6 次循环吸收，其CO2负荷仍可保持0.33 mol·mol-1。