我院鲁厚芳、刘颖颖团队近期在国际分离纯化领域著名期刊《Separation and Purification Technology》上发表了题为“Novel nonaqueous solvent for carbon capture: effects of glycol and water on CO2 absorption, desorption and energy penalty”的研究论文。该文章第一作者为四川大学化学工程学院硕士研究生张希海,通讯作者为四川大学新能源与低碳技术研究院刘颖颖副研究员。
【图文摘要|Graphical abstract】
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【文章简介|Introduction】
脒-醇吸收剂作为一种非水吸收剂,比传统的醇胺溶液CO2吸收容量大、再生能耗低,是一种有潜力的新型吸收剂。但该吸收剂吸收CO2后黏度过大限制了其工业应用。本研究通过改变醇的类型,考察了5种短链二醇(乙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丁二醇和1,4-丁二醇)对1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯(DBN)-二醇吸收剂的CO2吸收、解吸、黏度以及再生能耗的影响规律,同时考察了水分对上述性能的影响。结果表明,DBN-二醇体系黏度较DBU-甘油体系黏度降低95%以上,水分含量对体系黏度影响显著,CO2的吸收容量均远高于传统醇胺溶液,再生能耗可以降低至1.38 GJ·ton-1 CO2。综合考虑再生能耗和黏度,DBN-乙二醇溶液更适用于CO2捕集,即使体系中水分含量增加至5 wt.%,解吸能耗依然能比30 wt.%一乙醇胺(MEA)溶液降低约51%。该研究对非水体系新型低能耗吸收剂的开发具有指导意义。
引言
大量CO2排放造成的温室效应严重影响全球气候和环境。二氧化碳捕集、利用和封存(CCUS)技术是降低CO2排放的有效途径。工业上常采用30 wt.% MEA溶液捕集CO2,但是吸收剂再生能耗过高成为该过程工业化推广的瓶颈。脒-醇溶液作为一种非水吸收剂,具有CO2吸收容量大,再生能耗低的特点,但是黏度过高不利于工业应用。脒与短链二醇形成的吸收剂比与相同分子量的一元醇形成的吸收剂CO2吸收容量更高,同时与甘油相比,短链二醇粘度更小,因此,DBN-短链二醇可能不仅具有高CO2吸收容量和低解吸能耗,而且有望降低体系黏度。研究短链二醇的结构对DBN-二醇溶液吸收、解吸CO2性能、黏度以及再生能耗的影响规律有助于新型低能耗吸收剂的开发。本研究以DBN-短链二醇为吸收剂,研究不同短链二醇对体系吸收、解吸CO2性能,黏度和再生能耗的影响规律;由于烟气中不可避免含有一定量的水分,脒-醇溶液作为典型的非水吸收剂,研究水分对该体系吸收解吸CO2性能、黏度变化规律以及再生能耗等具有重要的实际意义,更有助于促进此类吸收剂的工业应用。
图文导读
1. 二醇和水对DBN-二醇吸收、解吸CO2性能的影响
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图1 DBN-二醇溶液对CO2的吸收-解吸性能(a)DBN-二醇溶液的CO2负载量(313 K)和(b)DBN-二醇-CO2溶液在353 K时的CO2解吸率
DBN-二醇溶液吸收和解吸CO2结果(图1)表明在313 K下CO2吸收容量可达4.74 mol·kg-1(21 wt.%)~5.87 mol·kg-1(26 wt.%),均远高于30 wt.% MEA水溶液中CO2吸收容量(7 wt.%);353K时DBN-二醇-CO2溶液的解吸率在90%左右。DBN-二醇溶液具有良好的CO2吸收-解吸性能。
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图2 水分对DBN-乙二醇溶液吸收-解吸CO2性能的影响:(a)DBN-乙二醇-H2O溶液的CO2负载量(313 K);(b)DBN-乙二醇-H2O-CO2溶液在353 K时CO2解吸率
水分的存在会提高DBN-乙二醇溶液吸收CO2的吸收速率,同时降低富液的解吸速率(图2)。13C NMR谱图(图3)表明水分、DBN和CO2三者反应生成碳酸氢盐,而DBN、醇和CO2的产物为烷基碳酸盐,碳酸氢盐稳定性高于烷基碳酸盐,不利于解吸过程的进行。
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图3 13C NMR谱图(a)DBN-乙二醇和(b)DBN-乙二醇-CO2和(c)DBN-乙二醇-H2O-CO2 (CO2负载为4.08 mol·kg-1)
2. 二醇和水对DBN-二醇-CO2黏度的影响
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图4 313 K下(a)DBN-二醇-CO2和(b)DBN-乙二醇-H2O体系黏度随CO2负载量的变化
DBN-二醇-CO2和DBN-乙二醇-H2O体系黏度均随CO2负载量的增加而显著增大(图4)。相同CO2负载量时,DBN-乙二醇-CO2体系黏度最低,5种二醇体系的黏度均比DBU-甘油-CO2体系低95%以上;少量水分的存在增加了DBN-乙二醇-H2O-CO2体系的黏度,但是当含水量增加至3 wt.%后,继续增加会降低吸收体系黏度,过量的水分起到了稀释剂作用。
3. 二醇和水对再生能耗和再生性能的影响
吸收剂的再生能耗Qreg主要由3部分构成:吸收剂升温显热Qs,再生反应热Qr和吸收剂汽化潜热Qv。由于DBN和二醇沸点较高,在解吸温度下挥发性较小,因此可忽略Qv的影响。采用热重-差示扫描量热(TG-DSC)测定了5种DBN-二醇吸收剂和DBN-乙二醇-水吸收剂的比热和吸收CO2反应热,并计算出不同解吸率时的Qs和Qr,最后得出再生能耗Qreg(图5)。
结果表明,5种DBN-二醇溶液的解吸反应热和比热均小于30 wt.% MEA水溶液,DBN-二醇-CO2的解吸能耗在1.38~1.77 GJ·ton-1 CO2,比30 wt.% MEA水溶液降低了51%~62%,其中DBN-1,4-丁二醇-CO2体系再生能耗最低。综合黏度和解吸能耗,DBN-乙二醇溶液是最适宜的CO2吸收剂,其解吸能耗可降至1.50 GJ·ton-1 CO2。
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图5 不同CO2解吸率下的解吸能耗(a)DBN-二醇-CO2和(b)DBN-乙二醇-H2O-CO2
水分存在增加了DBN-乙二醇-CO2体系的解吸反应热和吸收剂的比热容,进而增加了DBN-乙二醇-CO2体系的解吸能耗。综合考虑CO2吸收容量、解吸率、黏度以及再生能耗,体系中水分含量不超过5 wt.%为宜,此时的解吸能耗比30 wt.% MEA溶液降低约51%。
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图6 DBN-乙二醇溶液9次吸收-解吸循环时CO2吸收容量
DBN-乙二醇溶液经过9次吸收-解吸循环后,CO2负载量由最初的5.79 mol·kg-1降至4.20 mol·kg-1,为初始负载量的72%,说明多次吸收-解吸循环中吸收剂很可能发生部分降解,该工作需要进一步研究。
【主要结论|Conclusions】
本文研究了5种短链二醇(乙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丁二醇和1,4-丁二醇)和水分对DBN-二醇吸收剂的CO2吸收、解吸、黏度以及再生能耗的影响规律。结果表明,DBN-二醇-CO2黏度较DBU-甘油-CO2体系降低95%以上;水分含量对体系黏度影响显著;CO2的负载量均远高于传统醇胺溶液,最高可达5.87 mol·kg-1 CO2;再生能耗最低可降至1.38 GJ·ton-1 CO2。综合考虑再生能耗和黏度,DBN-乙二醇溶液更适用于CO2捕集;9次吸收-解吸循环后CO2负载量可达到初始负载量的72%;即使体系中水分含量增加至5 wt.%,解吸能耗依然能比30 wt.% MEA降低约51%。该研究对非水体系新型低能耗吸收剂的开发具有指导意义。
【原文信息】
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【原文链接】
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124437
【部分作者介绍】
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张希海,硕士研究生,第一作者
邮箱:1217697970@qq.com
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刘颖颖,通讯作者
邮箱:liuyingying@scu.edu.cn
四川大学副研究员,硕士生导师,主要从事酸性气体吸收剂的开发、化工过程强化以及结晶分离等领域,主持国家自然科学基金青年基金等多项科研项目,在Separation and Purification Technology, Environmental Science & Technology和 Industrial & Engineering Chemistry Research等国内外学术期刊发表学术论文50余篇。
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鲁厚芳,主要作者
邮箱:luhouf@163.com
四川大学教授,博士生导师,主要研究方向包括CO2捕集与利用研究,生物质化学品和能源技术开发,化工过程低碳技术剂新工艺开发及纳/微材料的应用技术开发。四川省第九批学术与技术带头人后备人选,近年来,先后承担包括国家自然科学基金重点项目、面上项目、科技部国家支撑计划、教育部重大科学研究项目、四川省重点研发计划以及与中石化、中海油、中国环境科学院等企事业单位合作项目数十项。已发表论文200余篇,包括Industrial & Engineering Chemistry Research、AIChE Journal、Chemical Engineering Science等。