氨基酸離子液體促進(jìn)的醇胺水溶液捕集CO2的研究進(jìn)展

付 東，張 盼，杜磊霞

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)及燃煤鍋爐大量排放的CO2已嚴(yán)重影響了環(huán)境保護(hù)和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)CO2的減排壓力，發(fā)展技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上可承受的煙氣中CO2減排方法，已引起廣泛關(guān)注。在眾多的CO2捕集方法中，醇胺吸收法[1～6]具有技術(shù)成熟、吸收量大、操作成本較低等優(yōu)點(diǎn)，適宜大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，特別是在天然氣和煉廠氣CO2分離方面，醇胺法處于主導(dǎo)地位。隨著華能北京熱電廠和華能上海石洞口第二電廠CO2捕集示范工程的展開，在火電廠CO2減排領(lǐng)域，醇胺吸收法也將占據(jù)舉足輕重的地位。

因醇胺水溶液吸收CO2后易腐蝕設(shè)備，CO2捕集過程需嚴(yán)格控制水溶液中醇胺的質(zhì)量分率。如以乙醇胺 (Monoethanolamine，MEA)水溶液為吸收劑時(shí)，MEA的質(zhì)量分率不超過30%，以避免嚴(yán)重的腐蝕。但醇胺質(zhì)量分率較低時(shí)，溶液中大量的水分導(dǎo)致吸收容量較小、高溫再生時(shí)加熱蒸汽消耗量巨大。為了降低操作成本，常使用復(fù)配醇胺水溶液作為吸收劑，即以吸收能力強(qiáng)且腐蝕性較小的 N-甲基二乙醇胺 (N-methyldiethanolamine，MDEA)或2-氨基-2-甲基-1-丙醇 (2-Amino-2-methyl-1-propanol，AMP)與吸收速率較快的MEA、二乙醇胺 (diethanolamine，DEA)或哌嗪(Piperazine，PZ)復(fù)配，以MDEA或AMP為吸收劑主體，以MEA，DEA或PZ為促進(jìn)劑，溶液中各種醇胺的總質(zhì)量分率不超過50%。Chakrvarty[2]，Kohl和 Nielsen 等[3]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 MDEA-MEA及MDEA-DEA復(fù)配醇胺水溶液對(duì)CO2的吸收效果;Praxair公司采用MDEA-MEA復(fù)配醇胺水溶液作為吸收劑，當(dāng)MEA質(zhì)量分率介于10%～20%之間時(shí)，既有效地提高了吸收速率和吸收容量，又可降低設(shè)備腐蝕，減少加熱蒸汽量。但吸收劑溶液中水分仍在50%左右，富液再生和貧液冷卻過程的能耗仍居高不下，開發(fā)新型吸收劑以進(jìn)一步節(jié)能降耗，尚有較大的拓展空間。

1 研究現(xiàn)狀

近年來，離子液體 (Ionic liquids，ILs)吸收CO2的研究已引起廣泛的關(guān)注[7～11]。與普通 ILs對(duì)CO2的物理吸收過程不同，功能型離子液體(Functionalized ionic liquids，F(xiàn)ILs)[12]通過化學(xué)反應(yīng)吸收CO2，具有吸收速率快和吸收容量大的特點(diǎn);同時(shí)由于FILs具有性能穩(wěn)定、蒸汽壓極低、再生溫度低和無腐蝕等特點(diǎn)，與常用的MEA和MDEA等傳統(tǒng)醇胺吸收劑相比有較強(qiáng)的優(yōu)勢。目前，CO2在FILs及醇胺-FILs復(fù)配溶液中的溶解度和吸收動(dòng)力學(xué)研究已有大量報(bào)道[13～23]。研究結(jié)果均表明，F(xiàn)ILs可顯著改善MEA和MDEA等傳統(tǒng)醇胺水溶液對(duì)CO2的吸收效果，并降低再生溫度。

在眾多的FILS中，氨基酸離子液體 (amino acid ionic liquid，AAIL)在常壓下即對(duì)CO2具有較大的吸收容量和較高的吸收速率，同時(shí)具有原料易得、制備過程穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低和產(chǎn)品毒性低等優(yōu)點(diǎn)，在工程上具有很好的應(yīng)用前景。吸收動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明[22]，在MDEA水溶液中加入少量的AAIL，如四甲基銨甘氨酸 (Tetramethylammonium glycinate，[N1111][Gly])，即可顯著提高 CO2吸收速率。但AAIL粘度較大，且在吸收CO2后粘度進(jìn)一步上升，導(dǎo)致流動(dòng)阻力大、吸收過程傳質(zhì)不充分，難以直接應(yīng)用于碳捕集工程實(shí)踐。以適量的 AAIL與 MEA，MDEA，AMP等醇胺復(fù)配[13～23]，既可保證適當(dāng)?shù)捏w系粘度，又可降低設(shè)備腐蝕、提高吸收速率并減少加熱蒸汽量，對(duì)目前在運(yùn)行的醇胺法CO2捕集工藝的改進(jìn)及新型醇胺法吸收工藝的開發(fā)均具有重要的指導(dǎo)意義。

2 發(fā)展方向

在CO2醇胺吸收工藝中，粘度是控制氣-液傳質(zhì)過程的重要參數(shù)，對(duì)吸收塔的設(shè)計(jì)及CO2吸收效果均具有重要影響。如在吸收塔中，從塔頂貧液到塔底富液，粘度隨CO2載荷的變化而變化，CO2擴(kuò)散難易程度也相應(yīng)變化。目前，醇胺-AAIL水溶液粘度研究已有報(bào)道，如Gao等[23]發(fā)現(xiàn)，323.15K條件下，質(zhì)量分率為40%的MDEA水溶液中加入10%[N1111][Gly] 時(shí)，水溶液的粘度為 1.81 mPa·s，與常用醇胺水溶液相當(dāng)，適宜塔內(nèi)吸收;當(dāng)[N1111][Gly]質(zhì)量分率為15%時(shí)，水溶液粘度快速上升為5.39 mPa·s。吸收CO2后，由于大量離子的存在，吸收液的粘度將顯著高于水溶液，如Fu等[24～28]的研究表明，當(dāng)醇胺水溶液吸收CO2后，在接近飽和的CO2載荷條件下，體系粘度比未吸收CO2的水溶液高數(shù)倍。因此，醇胺-AAIL吸收劑在碳捕集過程的應(yīng)用，首先應(yīng)保證醇胺-AAIL體系具有適當(dāng)?shù)恼扯取?/p>

迄今為止，醇胺-AAIL水溶液的粘度與操作溫度、醇胺類型和濃度、AAIL類型和濃度之間的定量關(guān)系尚不明晰;吸收CO2后的AAIL-醇胺-水溶液的粘度實(shí)驗(yàn)測定及理論計(jì)算均鮮見報(bào)道，CO2載荷對(duì)吸收液粘度的影響規(guī)律尚不明晰。水溶液和吸收液粘度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算模型的缺乏，給吸收塔設(shè)計(jì)和涉及增強(qiáng)傳質(zhì)的過程設(shè)計(jì)帶來諸多困難。亟需結(jié)合實(shí)驗(yàn)測定和理論計(jì)算，闡明溫度、醇胺種類和濃度、AAIL種類和濃度、以及CO2載荷等諸多因素對(duì)體系粘度的影響規(guī)律。

適宜煙氣中CO2捕集的AAIL-醇胺吸收劑的遴選，可按圖1所示的路徑進(jìn)行。即首先通過溶解度和吸收動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定AAIL對(duì)CO2的吸收容量及其對(duì)醇胺水溶液吸收CO2的促進(jìn)作用，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測定和理論計(jì)算，綜合考慮CO2載荷，確定吸收劑中AAIL和醇胺的組成，保證AAIL-醇胺水溶液及其CO2吸收液具有適當(dāng)?shù)恼扯龋瑥亩ＷC整塔范圍內(nèi)，流動(dòng)阻力適當(dāng)、吸收過程傳質(zhì)充分。

圖1 適宜煙氣中CO2捕集的AAIL-醇胺吸收劑的遴選路徑

3 結(jié)論

以AAIL促進(jìn)傳統(tǒng)醇胺水溶液對(duì)CO2的吸收效果，在碳捕集領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，但推廣應(yīng)用首先需解決體系的高粘問題。本文對(duì)AAIL促進(jìn)醇胺水溶液吸收CO2的動(dòng)力學(xué)及體系粘度的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并從吸收容量、促進(jìn)效果和體系粘度等3個(gè)方面分析了適宜煙氣中CO2捕集的AAIL-醇胺吸收劑的遴選方法。

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