CN101804326A

CN101804326A - 用于膜接触器捕集co2气体的高效吸收剂

Info

Publication number: CN101804326A
Application number: CN201010137441A
Authority: CN
Inventors: 陆建刚; 陈敏东; 王让会; 张慧; 付晓茹
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2010-08-18

Abstract

本发明提供一种与有机膜具有良好的兼容性，容易获得，价格低廉，并能在膜接触器中稳定运行的用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂。该高效吸收剂是含有氨基酸盐、多氨基有机醇的水溶液。所述氨基酸盐和多氨基有机醇总浓度为0.1～5.0mol/L，所述氨基酸盐和多氨基有机醇的摩尔比为1∶0.5～1.5。

Description

用于膜接触器捕集CO2气体的高效吸收剂

一、技术领域

本发明涉及膜分离技术领域，特别是一种用于捕集CO₂气体的高效吸收剂。

二、背景技术

气候变暖已受到全球的高度关注，二氧化碳因具有温室效应被普遍认为是导致全球气候变暖的重要原因之一。减少二氧化碳排放，降低大气中二氧化碳浓度，实现低碳经济，是人类面临的共同难题和挑战。各种高效低能耗可行的分离和捕集CO₂技术受到各国的高度重视。各种高性能捕集CO₂吸收剂的开发是此领域研究的主题之一，近几年来，高效吸收剂由于其独特的性能已成为捕集CO₂吸收剂研究的热门课题。

高效吸收剂是一种具有优良的捕集性能的吸收剂，在捕集CO₂过程中可提供更高的传质推动力、更高的吸收容量、更高的吸收速率和再生速率。因此高效吸收剂具有更高的优良性能。目前作为捕集CO₂气体的各种高效吸收剂在工业上已得到了广泛应用。如US4,892,674提出在醇胺溶剂中添加位阻胺盐或位阻氨基酸形成高效溶剂；US4,895,670提出在空间位阻胺和位阻氨基酸形成的高效溶剂。CN1356157A提出一种混合溶剂由MDEA(N-甲基二乙醇胺)和一种空间位阻胺组成。CN1354036A提出一种高效胺溶剂由MEA(单乙醇胺)和一种活性胺组成。这些专利涉及的高效溶剂主要用于选择性脱除混合气中H₂S及CO₂。

膜接触器技术作为膜分离与溶剂吸收气体技术相结合的新型气体分离过程，其具有稳定的传质界面、高比表面积、高传质效率，能耗低，装置体积小，操作稳定和弹性大等优势；膜接触器中的微孔膜仅仅是气液两相之间的屏障，对气体的分离无选择性，吸收剂在分离过程中提供了高选择性和高驱动力。因此开发与膜材质相兼容的高性能吸收剂具有特别重要的意义。目前，用于膜接触器捕集CO₂高效吸收剂较少，吸收效果尚需要进一步提高，而且存在溶剂不易获得，价格昂贵，再生热较高，以及溶剂侵蚀膜材质等缺点。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种与有机膜具有良好的兼容性，容易获得，价格低廉，并能在膜接触器中稳定运行的用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂。

本发明提供一种用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂，是含有氨基酸盐、多氨基有机醇的水溶液。

所述氨基酸盐和多氨基有机醇总浓度为0.1～5.0mol/L，所述氨基酸盐和多氨基有机醇的摩尔比为1∶0.5～1.5。其中，氨基酸盐和多氨基有机醇总浓度优选为0.5～3.0mol/L。氨基酸盐和多氨基有机醇的摩尔比优选1∶0.5～1。

本发明中氨基酸盐的结构式为：H₂N-R-CO₂ ^-M⁺，其中R为含有1～3个碳原子的烷基，M⁺＝K⁺或Na⁺。该氨基酸盐可以为氨基乙酸盐、α-氨基丙酸盐、β-氨基丙酸盐、α-氨基丁酸盐、β-氨基丁酸盐、甲基-α-氨基丙酸盐或甲基-β-氨基丙酸盐。

本发明中多氨基有机醇化合物的结构式为：

其中n值为0-5，可以为单乙醇胺、N-(2-羟乙基)乙二胺、N-(2-羟乙基)二乙烯三胺、N-(2-羟乙基)三乙烯四胺、N-(2-羟乙基)四乙烯五胺、N-(2-羟乙基)五乙烯六胺。

与现有技术相比，本发明提供的高效吸收剂捕集CO₂吸收性能优于现有的CO₂吸收剂如MEA(单乙醇胺)等组分，同时优于单一的氨基酸盐；具有高表面张力，不湿润聚丙烯膜和聚偏氟乙烯膜，对膜无损害，容易获得，价格低廉，在膜接触器中长期稳定运行。

四、附图说明

图1膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂吸收性能评价装置。

其中1-混合气钢瓶，2-气体流量计，3-膜接触器，4-吸收剂储槽，5-蠕动计量泵，P-压力计，A-取样点。

图2为本发明高效吸收剂的组分对总体积传质系数的影响曲线图。

图3为本发明高效吸收剂组分的总浓度和摩尔比对总体积传质系数的影响曲线图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂，是含有氨基酸盐和多氨基有机醇的水溶液。氨基酸盐和多氨基有机醇水溶液总浓度为0.1～5.0mol/L，最好为0.5～3.0mol/L；氨基酸盐和多氨基有机醇的摩尔比为1∶0.5～1.5，最好为1∶0.5～1。其中，氨基酸盐可以为氨基乙酸、α-氨基丙酸、β-氨基丙酸、β-氨基丁酸、甲基-α-氨基丙酸、α-氨基丁酸、β-氨基丁酸等的钾盐或钠盐；多氨基有机醇可以为单乙醇胺、N-(2-羟乙基)乙二胺、N-(2-羟乙基)二乙烯三胺、N-(2-羟乙基)三乙烯四胺、N-(2-羟乙基)四乙烯五胺等。

结合图1、图2和图3，本发明用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂的吸收性能评价流程为：

室温下，含5-10％CO₂混合气由混合钢瓶1经减压阀减压至操作压力(接近常压)，气流经气体流量计2进入膜接触器3中，混合气中CO₂通过膜孔扩散至膜另一侧，被高效吸收剂吸收，进入液相，吸收后的气相从膜接触器3另一端气体出口放出。一个吸收剂储槽4中的高效吸收剂由蠕动计量泵5抽出送入膜接触器3中，吸收扩散过来的CO₂，离开膜接触器3的吸收剂进入另一吸收剂储槽4。气相进出口组成由气体分析仪测定，吸收剂总碱由酸碱滴定测定，液相CO₂采用化学分析法测定。

评价标准：总体积传质系数：

K_{G} a = \frac{G \ln (C_{g, in} / C_{g, out})}{AL}

式中G、A和L分别为气相体积流速、膜组件横截面积和膜组件长度，C_g，in和C_g，out分别为气相进出口CO₂浓度。

评价结果如下：

一)图2为各种高效吸收剂的吸收性能比较，各种高效吸收剂组分为：其中○表示MEA(单乙醇胺)，表示氨基丙酸盐(钾盐)，■表示氨基乙酸盐(钾盐)；

以下几种图标代表本发明的高效吸收剂，这些高效吸收剂的总浓度均为1mol/L，氨基酸盐和多氨基有机醇的摩尔比均为1∶0.6，以下各氨基酸盐均为钾盐，◆表示甲基-α-氨基丙酸盐和N-(2-羟乙基)四乙烯五胺，

表示氨基乙酸盐和N-(2-羟乙基)四乙烯五胺，

表示氨基乙酸盐和N-(2-羟乙基)三乙烯四胺，●表示氨基乙酸盐和N-(2-羟乙基)二乙烯三胺，▲表示α-氨基丙酸盐和N-(2-羟乙基)二乙烯三胺，口表示氨基乙酸盐和N-(2-羟乙基)乙二胺。

图2结果表明各种高效吸收剂的总体积传质系数远高于单一组分吸收剂(如MEA、氨基乙酸盐和氨基乙磺酸盐)的总体积传质系数，高效吸收剂的总体积传质系数是单一组分吸收剂的1.6～2.2倍，本发明提出的高效吸收剂是一类优良的CO₂捕集吸收剂。

二)本发明高效吸收剂组分总浓度和摩尔比浓度对吸收性能影响评价结果，如图3中所示，选择了具有代表性的三种组分：氨基乙酸盐和N-(2-羟乙基)四乙烯五胺、α-氨基丙酸盐和N-(2-羟乙基)三乙烯四胺、甲基-α-氨基丙酸盐和N-(2-羟乙基)二乙烯三胺。三组分中的氨基酸盐为钾盐。

图3表明了不同组分的高效吸收剂，在组份的摩尔比一定情况下，其总摩尔浓度与总体积传质系数的关系。

其中：当组份中氨基酸盐和多氨基有机醇的摩尔比为1∶0.5时，▲表示组分为甲基-α-氨基丙酸盐和N-(2-羟乙基)二乙烯三胺，●表示组分为α-氨基丙酸盐和N-(2-羟乙基)三乙烯四胺，■表示组分为氨基乙酸盐和N-(2-羟乙基)四乙烯五胺；

其中：当组份中氨基酸盐和多氨基有机醇的摩尔比为1∶1时，图标

表示组分为甲基-α-氨基丙酸盐和N-(2-羟乙基)二乙烯三胺，

表示组分为氨基乙酸盐和N-(2-羟乙基)四乙烯五胺，

表示组分为α-氨基丙酸盐和N-(2-羟乙基)三乙烯四胺。

结果表明总浓度增加时总体积传质系数增加，多氨基有机醇在高效吸收剂中摩尔比例增加时，总体积传质系数增加，本发明提出的高效吸收剂具有高传质系数。

三)用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂三种代表性组分在各种总浓度和摩尔比下的总传质系数测定值，测定值请见表1。

表1高效吸收剂在各种总浓度和摩尔比下的总传质系数测定值(K_Ga)

结果表明，本发明提出的高效吸收剂在高浓度和高摩尔比下具有高的传质系数值。

Claims

1.一种用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂，是含有氨基酸盐和多氨基有机醇的水溶液，其中氨基酸盐和多氨基有机醇总浓度为0.1～5.0mol/L，所述氨基酸盐和多氨基有机醇的摩尔比为1∶0.5～1.5。

2.根据权利要求1所述的用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂，其中，所述氨基酸盐的结构式为：

H₂N-R-CO₂ ^-M⁺

其中R为含有1～3个碳原子的烷基，M⁺＝K⁺或Na⁺。

3.根据权利要求2所述的用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂，其中，所述氨基酸盐选用氨基乙酸盐、α-氨基丙酸盐、β-氨基丙酸盐、α-氨基丁酸盐、β-氨基丁酸盐、甲基-α-氨基丙酸盐或甲基-β-氨基丙酸盐。

4.根据权利要求2所述的用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂，

其中，所述多氨基有机醇化合物的结构式为：

其中n值为0-5。

5.根据权利要求4所述的用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂，其中，所述多氨基有机醇化合物选用单乙醇胺、N-(2-羟乙基)乙二胺、N-(2-羟乙基)二乙烯三胺、N-(2-羟乙基)三乙烯四胺或N-(2-羟乙基)四乙烯五胺。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂，其特征在于所述氨基酸盐和多氨基有机醇总浓度为0.5～3.0mol/L。

7.根据权利要求6所述的用于膜接触器捕集CO₂气体的高效吸收剂，其特征在于所述氨基酸盐和多氨基有机醇的摩尔比为1∶0.5～1。