CN101766948A - 用于膜接触器捕集co2气体的复合溶液 - Google Patents

用于膜接触器捕集co2气体的复合溶液 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，该复合溶液由氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺组成，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分在水溶液中的总浓度为0.1～5.0mol/L，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1∶0.5～1.5。与现有技术相比，本发明提出的复合溶液捕集CO2性能优于现有的CO2吸收剂如MEA(一乙醇胺)等组分，同时优于单一的氨基烷烃基磺酸盐；具有高传质系数，能在膜接触器中稳定运行。

Description

用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液
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气体的复合溶液。
二、背景技术
全球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，实现低碳经济，降低大气中二氧化碳浓度，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溶液的开发是此领域研究的主题之一，近几年来，复合溶液由于其独特的性能已成为捕集CO2溶液的研究热门课题。
复合溶液兼容了单一溶液的优良性能，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。因此复合溶液具有更高的优良性能。目前作为捕集CO2气体各种复合溶液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复合溶剂；US4,895,670提出在空间位阻胺和位阻氨基酸形成的复合溶剂。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提出一种复合胺溶剂由MEA(一乙醇胺)和一种活性胺组成。这些专利涉及的复合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，溶液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溶液具有特别重要的意义。CN1895738公开了由氨基酸盐和活化组分组成的复合溶液，具有优良的吸收和再生性能，并优于单一组分。目前，用于膜接触器捕集CO2复合溶液较少，吸收性能尚需要进一步提高，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能在膜接触器中稳定运行的用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液。
本发明的技术方案为：一种用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，由氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分组成。氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分在水溶液中的总浓度为0.1～5.0mol/L，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1.0∶0.5～1.5。
氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分的水溶液总浓度更优选的值为0.5～3.0mol/L。氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比更优选值为1.0∶0.5～1.0。
其中，氨基烷烃基磺酸盐的结构式为：
H2N-R-SO3 -M+
式中R为含有1～3碳原子的烷基，M+＝K+或Na+。优选为氨基甲磺酸盐，2-氨基乙磺酸盐，1-氨基乙磺酸盐，1-氨基丙磺酸盐，2-氨基丙磺酸盐，3-氨基丙磺酸盐。
环状双氨基有机胺化合物的结构式为下式中的任意一种：
其中R1为含有2～3碳原子的烷基，R2为含有1～2碳原子的烷基，优选为：哌嗪，N-甲基哌嗪，N-乙基哌嗪，2-甲基哌嗪，2-乙基哌嗪，2，5-二甲基哌嗪。
有益效果：
本发明提出的复合溶液捕集CO2性能优于现有的CO2吸收剂如MEA(一乙醇胺)等组分，同时优于单一的氨基烷烃基磺酸盐；具有高传质系数，能在膜接触器中稳定运行。
四、附图说明
图1膜接触器捕集CO2气体的复合溶液捕集性能评价装置。1-混合气钢瓶，2-气体流量计，3-膜接触器，4-第一溶液储槽，5-蠕动计量泵，6-第二溶液储槽，P-压力计，A-取样点。
图2膜接触器捕集CO2气体的复合溶液的捕集性能评价结果-复合溶液组分比较。
其中：○MEA，
Figure GSA00000046233700032
氨基甲磺酸盐，■氨基乙磺酸盐，◆氨基乙磺酸盐+2，5-二甲基哌嗪，
Figure GSA00000046233700033
氨基乙磺酸盐+2-甲基哌嗪，
Figure GSA00000046233700034
氨基乙磺酸盐+哌嗪，●氨基丙磺酸盐+哌嗪，▲氨基甲磺酸盐+N-甲基哌嗪，复合溶液中溶质总浓度为1mol/L，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1∶0.8。
图3膜接触器捕集CO2气体的复合溶液的捕集性能评价结果-溶质总浓度和溶质摩尔比的影响。
图中当氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1∶0.5时，曲线为▲氨基甲磺酸盐+N-甲基哌嗪，●氨基丙磺酸盐+哌嗪，■氨基乙磺酸盐+哌嗪；当氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1∶1时，曲线为
Figure GSA00000046233700041
氨基乙磺酸盐+哌嗪，氨基丙磺酸盐+哌嗪，
Figure GSA00000046233700043
氨基甲磺酸盐+N-甲基哌嗪。
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。
结合图1，本发明用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液的捕集性能评价流程为：室温下，含10％(体积百分数)的CO2混合气由混合钢瓶1经减压阀减压至0.105～0.11MPa的操作压力，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，被复合溶液捕集，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。第一溶液储槽4中的复合溶液由蠕动计量泵5抽出送入膜接触器3中，捕集扩散过来的CO2后离开膜接触器3的溶液进入第二溶液储槽6。气相进出口组成由气体分析仪测定，溶液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KGa：
K G a = G ln ( C g , in / C g , out ) AL
式中H、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，Cg，in和Cg，out分别为气相进出口CO2浓度。
实施例1
一种用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，由氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分组成。氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分在水溶液中的总浓度为0.5mol/L，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1.0∶0.8。具体组成和测定数据如表1所示：
表1各种组成的复合溶液捕集CO2的总体积传质系数
Figure GSA00000046233700051
实施例2
一种用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，由氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分组成。氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分在水溶液中的总浓度为3mol/L，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1.0∶1.5。具体组成和测定数据如表2所示：
表2各种组成的复合溶液捕集CO2的总体积传质系数
Figure GSA00000046233700052
  N-乙基哌嗪 0.256 0.261 0.259 0.248 0.251 0.249
  2-甲基哌嗪 0.272 0.291 0.288 0.28 0.284 0.281
  2-乙基哌嗪 0.269 0.273 0.271 0.266 0.27 0.268
  2，5-二甲基哌嗪 0.281 0.312 0.310 0.290 0.295 0.292
实施例3
一种用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，由氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分组成。氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分在水溶液中的总浓度为5mol/L，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1.0∶0.5。具体组成和测定数据如表3所示：
表3各种组成的复合溶液捕集CO2的总体积传质系数
Figure GSA00000046233700061
由以上实施例可以看出，本发明的复合溶液对二氧化碳具有良好的吸收效果。
结合图1、图2和图3，对图2和3评价结果进行解释。图2为各种组分的复合溶液的捕集性能比较，结果表明各种复合溶液的总体积传质系数远高于单一组分溶液(如MEA、氨基甲磺酸盐和氨基乙磺酸盐)的总体积传质系数，复合溶液的总体积传质系数是单一组分溶液的1.2～2.2倍，本发明提出的复合溶液是一类优良的CO2捕集吸收剂。图3为复合溶液总浓度和摩尔比对捕集性能影响评价结果，选择了具有代表性的三种组分：氨基乙磺酸盐+哌嗪、氨基甲磺酸盐+N-甲基哌嗪和氨基丙磺酸盐+哌嗪。图中当氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1∶0.5时，曲线为▲氨基甲磺酸盐+N-甲基哌嗪，●氨基丙磺酸盐+哌嗪，■氨基乙磺酸盐+哌嗪；当氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1∶1时，曲线为氨基乙磺酸盐+哌嗪，
Figure GSA00000046233700072
氨基丙磺酸盐+哌嗪，
Figure GSA00000046233700073
氨基甲磺酸盐+N-甲基哌嗪。结果表明总浓度增加时总体积传质系数增加，环状双氨基有机胺在复合溶液中摩尔比例增加时，总体积传质系数增加，本发明提出的复合溶液具有高传质系数。

Claims (6)

1.一种用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，其特征在于，由氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺组成；
氨基烷烃基磺酸盐的结构式为：H2N-R-SO3 -M+，其中R为含有1～3个碳原子的烷基，M+＝K+或Na+；环状双氨基有机胺化合物的结构式为下式中的任一：
Figure FSA00000046233600011
其中R1为含有2～3个碳原子的烷基，R2为含有1～2个碳原子的烷基。
2.根据权利要求1所述的用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，其特征在于，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分在水溶液中的总浓度为0.1～5.0mol/L，其中，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1∶0.5～1.5。
3.根据权利要求2所述的用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，其特征在于，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺两组分在水溶液中的总浓度为0.5～3.0mol/L。
4.根据权利要求2所述的用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，其特征在于，氨基烷烃基磺酸盐和环状双氨基有机胺的摩尔比为1∶0.5～1。
5.根据权利要求1～4任一所述的用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，其特征在于，所述的氨基烷烃基磺酸盐为：氨基甲磺酸盐，2-氨基乙磺酸盐，1-氨基乙磺酸盐，1-氨基丙磺酸盐，2-氨基丙磺酸盐，3-氨基丙磺酸盐中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的用于膜接触器捕集CO2气体的复合溶液，其特征在于，所述的环状双氨基有机胺化合物为：哌嗪，N-甲基哌嗪，N-乙基哌嗪，2-甲基哌嗪，2-乙基哌嗪，2，5-二甲基哌嗪中的任意一种。
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