醇胺溶液吸收CO2的反應原理及實驗研究

蘇雪梅

（廣西工業(yè)職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530001）

醇胺溶液吸收CO2的反應原理及實驗研究

蘇雪梅

（廣西工業(yè)職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530001）

闡述了醇胺溶液吸收CO2的反應原理；以一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）為研究對象，考察了醇胺溶液的濃度、種類對CO2的吸收速率和吸收總量的影響，并比較了不同復配體系的吸收性能。結果表明，相同條件下吸收效果MEA＞DEA＞MDEA，而在MEA溶液中加入一定量的MDEA溶液可以明顯提高溶液的吸收性能。

醇胺溶液；二氧化碳；吸收；反應原理

作為目前最為重要的能源與環(huán)境問題之一，CO2捕集技術一直備受關注。目前世界上捕集CO2的方法包括物理法、化學法、物理—化學法、膜分離法、膜吸收法等，其中化學法具有吸收效果好、吸收量大、技術成熟等優(yōu)點，在工業(yè)上得到廣泛的應用。目前工業(yè)上脫除CO2技術的研究熱點是化學吸收法，其中一類重要的吸收劑就是醇胺溶液。研究一種對CO2吸收速率快、吸收容量大、再生能耗低的新型復合胺吸收液就顯得尤為重要。

本文以工業(yè)上常用的一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）為研究對象，分別考察了吸收劑種類、濃度等對CO2吸收速率和吸收性能的影響，同時重點研究了二元復合胺溶液體系的吸收特性，并與相同濃度的純?nèi)芤哼M行了對比，同時進行反應機理的分析，所得結果可為CO2吸收劑的復配提供可靠的實驗依據(jù)。

1　醇胺的分類及反應機理

根據(jù)醇胺分子的結構，其與氨基（NH2）的氮原子相接的碳原子的個數(shù)僅有一個時，稱為一級醇胺（伯胺）；若氮原子與2個碳原子相接而失去一個氫原子，稱為二級醇胺（仲胺）；若氮原子與3個碳原子相接而失去2個氫原子，則為三級醇胺（叔胺）［1］。每種醇胺與CO2的反應機理是不同的。

1.1一級醇胺吸收CO2的反應機理

由反應方程式分析可知，一級醇胺與CO2反應時，由于受熱力學限制，每1mol一級醇胺僅能夠吸收0.5mol的CO2。常用的一級醇胺有MEA、DGA等，特點是吸收CO2速率快。

1.2二級醇胺吸收CO2的反應機理

二級醇胺與CO2的反應機理與一級醇胺相同，但因其缺少一個氫原子，故在反應速度上比一級醇胺要慢些。二級醇胺有DEA、DIPA等。

1.3三級醇胺吸收CO2的反應機理

三級醇胺由于結構中的氮原子失去了2個氫原子，沒有多余的氫原子，不會與CO2生成氨基甲酸根。但其水溶液仍可吸收CO2，其反應機理是在反應過程中作為CO2水解的催化劑，使CO2生成碳酸氫根。反應式如下：

從反應式可知，三級醇胺與一、二級醇胺吸收CO2的機理不同，其吸收CO2不受熱力學的限制，每1mol三級醇胺能夠吸收1mol的CO2。三級醇胺包括TEA、MDEA等，特點是吸收CO2速率慢，但吸收容量大。

1.4復合胺吸收機理

根據(jù)以上分析，幾乎每種醇胺溶液都有各自的優(yōu)缺點，如一級醇胺吸收速率快，但吸收容量??；而三級醇胺剛好相反，其吸收速率慢，但吸收容量大。因此，人們開始研究復合胺，希望通過兩種或多種醇胺的優(yōu)勢互補，達到更好的吸收效果。復合胺的吸收機理與單一醇胺不同，并非單純兩種醇胺各自反應，它們之間是相互作用的，過程比較復雜［2］。張亞萍［3］、顧光臨［4］、蓋群英［5-6］等人的研究表明，復合胺溶液體系在吸收過程中存在交互作用，在一定程度上增強了吸收CO2的能力。

2　實驗部分

2.1實驗試劑及實驗流程

實驗試劑包括一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA），均為分析純試劑，蒸餾水為醫(yī)用蒸餾水。

實驗的流程如圖1所示。實驗在25℃、常壓下進行，反應溫度設定為40℃，在燒瓶中加入配制好的300mL吸收劑溶液，通入200mL·min-1混合氣體進行反應。為保證實驗安全，實驗中未采用易燃易爆的沼氣，而是以N2和CO2混合氣體來模擬實際沼氣組分（其中CO2含量占35%）。反應過程中以1200r·min-1的速率進行攪拌，使反應均勻。

圖1　CO2吸收實驗流程

2.2單組分溶液吸收性能研究

2.2.1溶液濃度對吸收速率的影響

對3種不同的醇胺溶液在0.1、0.3、0.5mol·L-1濃度下對CO2的吸收速率隨時間的變化進行了實驗測試，結果如圖2、3、4所示。

圖2　MEA溶液的吸收速率

圖3　DEA溶液的吸收速率

圖4　MDEA溶液的吸收速率

從圖2、3、4可以看出，對于MEA、DEA和MDEA這3種溶液，不同濃度溶液對混合氣中CO2的吸收具有相似的規(guī)律，即濃度越高，吸收速率越快，吸收效果越好。原因是在吸收的開始階段，吸收液中活性成分的濃度高，吸收迅速，而隨著吸收的不斷進行，活性逐漸下降，吸收速率減慢，直至最后達到飽和，吸收停止。

2.2.2溶液種類對吸收速率的影響

分析圖2、3、4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在相同濃度下，MEA的吸收速率最快，其次是DEA，MDEA溶液吸收CO2的速率最慢，但其速率下降較前兩者都要緩慢，達到飽和的時間最長。

2.2.3溶液濃度及種類對吸收總量的影響

實驗考察了3種不同的醇胺溶液在0.1、0.3和0.5mol·L-1濃度下對CO2的吸收總量，結果如圖5所示。

圖5 3種溶液的吸收總量對比

圖5是3種溶液的吸收總量比較圖?？梢钥闯觯瑢γ恳环N吸收液來說，都具有濃度越高，吸收總量越大的規(guī)律，即高濃度的吸收劑在吸收容量上面有明顯優(yōu)勢，高濃度的胺溶液要達到吸收飽和所用的時間更長，說明高濃度吸收液有更強的吸收能力。原因正是由于濃度越高，其吸收速率越快，吸收時間越長，從而吸收總量也就越大。

對不同種類的醇胺溶液來說，MEA的吸收總量表現(xiàn)最優(yōu)；作為三級醇胺的MDEA溶液，其吸收總量必須在較高濃度（0.5mol·L-1）條件下才體現(xiàn)出來。原因是雖然MDEA溶液的吸收速率小，但下降緩慢，吸收時間長。在低濃度（0.1mol·L-1和0.3mol·L-1）條件下，太小的吸收速率被認為吸收結束；而在高濃度下，MDEA溶液吸收時間長的優(yōu)勢就可以體現(xiàn)出來，能夠以較小的吸收速率維持很長的時間，從而吸收總量逐漸接近吸收時間較短的MEA溶液。

2.3二元復合溶液吸收性能實驗

不同種類的醇胺溶液各有優(yōu)缺點，將不同種類的醇胺溶液混合起來，希望配制的復合胺溶液可以融合不同醇胺溶液的吸收優(yōu)勢，已成為現(xiàn)階段研究的熱點。根據(jù)查閱參考文獻以及本實驗結果可知，MEA的吸收速率快，但吸收時間較短，如果能在其中混入其他類型的醇胺，將其他醇胺的優(yōu)勢與MEA的高吸收速率結合起來，吸收效果將會大大提高。本實驗在MEA中添加其他種類的醇胺，對雙組分混合吸收液的吸收性能進行了實驗研究。

2.3.1雙組分混合溶液吸收速率的實驗研究

圖6為同等濃度的二元復合醇胺溶液與0.3mol·L-1的MEA溶液吸收速率對比圖。從圖6中可以看出，MEA與DEA的復合溶液較純MEA溶液差別不大，總體上來說，其吸收CO2的速率和吸收時間均稍有提高，但不明顯；而添加了MDEA的復合溶液，其吸收速率與純MEA溶液相比有了較大的提高，吸收時間更是有了明顯的延長，比MEA溶液的吸收時間延長了1/4左右。

圖6　MEA與二元復合溶液的吸收速率對比

2.3.2雙組分混合溶液吸收總量的實驗研究

圖7為同等濃度的二元復合醇胺溶液與0.3mol·L-1的MEA溶液吸收總量對比圖。從圖7中可以看出，與同等濃度的純MEA相比較，（MEA+DEA）二元復合溶液③較MEA溶液④吸收總量差別不大，僅有很微小的提高；但與0.2mol·L-1的MEA與0.1mol·L-1的DEA吸收總量之和①相比，則有明顯提高，這說明復合溶液的吸收總量不單純是兩種純?nèi)芤何湛偭康暮唵渭雍?；相同的結果在（MEA+MDEA）二元復合溶液中得到驗證（②、⑤）。但0.2mol·L-1的MEA加入0.1mol·L-1的MDEA后，其二元復合溶液的吸收總量⑤明顯增大，比0.3mol·L-1的MEA溶液吸收總量③高出1/5左右，說明MDEA吸收時間長的優(yōu)勢可以結合在MEA上面，兩者的正作用很明顯。

圖7　MEA與二元復合溶液的吸收總量對比

3　結論

通過實驗考察了3種不同醇胺溶液及其二元復合溶液對CO2的吸收性能，得出以下結論：

1）MEA、DEA、MDEA摩爾濃度越大，其吸收速率越快，吸收總量越大；

2）相同摩爾濃度的溶液，吸收速率排序為MEA＞DEA＞MDEA；

3）實驗考察了相同摩爾濃度的（MEA+DEA）二元復合溶液及（MEA+MDEA）二元復合溶液吸收CO2的效果，后者無論是吸收速率還是吸收總量均比前者及MEA的單組分溶液有顯著提高。

［1］ A Chakma. An energy efficicnt mixed solvent for the scparation of CO2［J］. Energy Convers.， 1995， 36（6/9）： 427-430.

［2］ Aroonwilas A， Tontiwachwuthikul P. High-efficiency Structured packing for CO2absorption using 2-amine-2-methy-1-propanol.M.A.Sc.Thesis［D］. Regina： University of Regina， 1996.

［3］ 張亞萍，等.混合醇胺溶液吸收煙氣中的CO2［J］. 化工生產(chǎn)與技術，2012，19（1）：22-24.

［4］ 顧光臨，等.乙醇胺為主體的CO2吸收劑的復配研究［J］.北京化工大學學報：自然科學版，2010，37（3）：20-24.

［5］ 蓋群英，等.醇胺溶液吸收與解吸CO2的研究［J］. 環(huán)境污染與防治，2008，30（6）：62-65.

［6］ 蓋群英，等.有機醇胺溶液吸收二氧化碳的研究［J］. 現(xiàn)代化工，2007，27（11）：395-397.

Reaction Theory and Experimental Study on Absorption of CO2into Alcohol Amines

SU Xue-mei
（Guangxi Vocational Technical Institute of Industry， Nanning 530001， China）

s：In this paper， reaction theory of alcohol amine solutions to absorb CO2were described； absorption rate and capacity of CO2into MEA， DEA， MDEA and their mixture solutions were investigated. The results showed that absorbing effect was MEA＞DEA＞MDEA under the same conditions， and adding proper quantity of MDEA into MEA solution could evidently improve the absorption properties of the whole solutions.

alcohol amines； carbon dioxide； absorption； reaction theory

TQ 028.1+4

A

1671-9905（2015）12-0007-03

廣西高?？蒲匈Y助項目（桂教科研2013YB327）

蘇雪梅（1968-），女，廣西人，副教授/高級工程師/注冊安全工程師/安全評價師，從事化工教學與科研工作。電話：13086713149，E-mail：1274301723@qq.com

2015-10-09