CN116139657A - 一种用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于二氧化碳捕集的胺类非水吸收剂，其组成物及质量百分比为主吸收剂20~30%、助吸收剂3~9%、其余为复合溶剂；其中，复合溶剂由多元醇和有机醇醚混合组成，多元醇与有机醇醚的质量比为（2~5）:（5~2）；本发明提供的胺类非水吸收剂具有吸收效果好、解吸速率快、解吸负荷高、循环稳定性强和能耗低的特点。
Description
技术领域
本发明属于气体分离领域，具体涉及一种用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂及其使用方法。
背景技术
目前，世界各国普遍认为二氧化碳的捕集、封存与利用技术（CCUS）是最有望实现大规模二氧化碳减排的重要技术。二氧化碳捕集技术作为CCUS的关键一环，但因其捕集系统庞大，需耗费大量的能源，花费约占整个二氧化碳减排成本的70%以上，这给整个CCUS的发展带来了巨大的经济压力。因此，开发经济节能的二氧化碳捕集技术，对实现二氧化碳减排有极为重要的实际意义。
目前，二氧化碳捕集技术主要有化学吸收法、物理吸收法、固体吸附法、膜分离法等。其中，化学吸收法在工业中的应用最多，该法常用醇胺的水溶液作为吸收剂。因为醇胺的种类较多，在吸收二氧化碳时的表现也不一样。如以伯、仲胺的水溶液作为吸收剂，优点是吸收速率快，缺点是解吸速率低、循环容量小；以叔胺的水溶液作为吸收剂，优点是吸收负荷大，缺点是反应速率极慢，需提高操作压力或添加活性剂；以位阻胺2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）水溶液作为吸收剂，吸收和解吸性能都极佳，缺点是价格昂贵、胺损耗严重。可以看出，以醇胺的水溶液作为吸收剂，难以平衡其吸收和解吸性能；此外，水的存在导致解吸过程要消耗大量的显热和潜热，提升了捕集能耗成本。因此，近年来研究者们通过开发非水吸收剂来提高二氧化碳捕集性能和降低捕集能耗。
CN 110152454 A公开了一种由2-氨基-2-甲基-1-丙醇( AMP )、羟乙基乙二胺(AAEA )以及n-甲基吡咯烷酮( NMP )三者混合而成的三元非水相吸收体系；CN 107789951A公开了一种由有机醇胺和醇醚溶剂组成的非水体系，其中有机醇胺为乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、二乙醇胺、2-(甲氨基)乙醇中的一种，醇醚溶剂为乙二醇单甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、二乙二醇甲醚、二乙二醇乙醚、二乙二醇丁醚、丙二醇甲醚中的一种。CN105854529 A公开了一种由复合有机胺和有机溶剂组成的非水溶剂二氧化碳捕集液，其中复合有机胺为活性胺和位阻胺，有机溶剂为乙二醇和/或低级醇。
综上所述，可见基于有机胺开发非水吸收剂的研究取得了许多进展，相比于醇胺水溶液，此类吸收剂具有低能耗、易解吸等优点，有着广阔的应用前景，有必要进一步开发出性能更佳的吸收剂。
发明内容
本发明提供了一种用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂及其使用方法，本发明提供的吸收剂具有吸收效果好、解吸速率快、解吸负荷高、循环稳定性强、能耗低等特点。
本发明用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂的组成物及质量百分比为主吸收剂20~30%、助吸收剂3~9%、其余为复合溶剂；其中，复合溶剂由多元醇和有机醇醚混合组成，多元醇与有机醇醚的质量比为（2~5）：（5~2）。
其中所述主吸收剂为N-(2-羟乙基) 乙二胺、N-氨乙基哌嗪、二乙烯三胺中的一种或多种；助吸收剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇和/或哌嗪。
复合溶剂中的多元醇为乙二醇、二甘醇、丙三醇中的一种，有机醇醚为乙二醇单甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇单丙醚中的一种。
本发明另一目的是提供上述二氧化碳捕集的胺类非水吸收剂的使用方法，具体步骤为：
S1、先用乙二醇对含二氧化碳的气体进行脱水，再将脱水后气体与胺类非水吸收剂接触发生反应，吸收饱和后得到富二氧化碳吸收液，吸收温度为30℃~50℃，吸收压力为常压；
S2、将富二氧化碳吸收液进行加热解吸释放出二氧化碳，解吸完成后得到贫二氧化碳吸收液，解吸温度为100℃~120℃，解吸压力为常压
S3、贫二氧化碳吸收液继续用于二氧化碳吸收，继之进行解吸，循环反复，实现胺类非水吸收剂的多次吸收、再生循环。
与现有的技术相比，本发明具有以下技术效果：
（1）本发明提供的胺基非水吸收剂，采用的主吸收剂有较大的吸收容量，采用的助吸收剂能调控吸收剂粘度或（和）吸收速率，两者相辅相成，充分发挥了吸收剂的吸收能力；
（2）本发明提供的胺基非水吸收剂，采用沸点高、比热容小、蒸发焓低的复合溶剂替代传统的水溶剂，降低了捕集二氧化碳过程中的溶剂损耗和再生能耗，进而减少捕集成本；
（3）本发明提供的胺基非水吸收剂的解吸性能良好，具有解吸速率快、解吸量大的特点；
（4）本发明提供的胺基非水吸收剂的热化学稳定性较强，多次循环后吸收剂仍保持良好的捕集效果；
综上所述，本发明提供的胺基非水吸收剂在捕集二氧化碳方面具有很好的应用潜力。
附图说明
图1为实施例1、实施例2、对比例1、对比例2和对比例3所述吸收剂的二氧化碳吸收效果图；
图2为实施例1、实施例2、对比例1和对比例3所述吸收剂的二氧化碳吸收负荷和解吸负荷对比图；
图3为实施例1、实施例2、对比例1和对比例3所述吸收剂在解吸实验时二氧化碳的解吸速率对比图；
图4为实施例1吸收剂的经过4次循环的二氧化碳负荷；
图5为实施例2吸收剂的经过4次循环的二氧化碳负荷。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：本实施例胺类非水吸收剂的组成物及质量百分比为N-(2-羟乙基) 乙二胺25%、哌嗪5%、乙二醇28%、乙二醇乙醚42%；将组成物按比例混合搅拌均匀即得胺类非水吸收剂；
同时制备对比吸收剂（单乙醇胺30 %、水70 %）作为对比例1；制备对比吸收剂（N-(2-羟乙基) 乙二胺30%、乙二醇乙醚70 %）作为对比例2；制备对比吸收剂（N-(2-羟乙基)乙二胺30 %、乙二醇70 %）作为对比例3；
将上述制得的胺类非水吸收剂、对比例1、对比例2、对比例3吸收剂用于捕集二氧化碳，具体操作如下：
用天平称取50g吸收剂放入透明鼓泡吸收瓶中，水浴恒温40℃，然后将二氧化碳气体（体积浓度为99.9%）通入吸收剂中接触反应，同时开始计时，检测并记录出口二氧化碳流量，吸收完成后得到富二氧化碳吸收液。进口二氧化碳流量为120mL/min，吸收时间为90min，压力为0.1MPa，检测并记录出口二氧化碳流量，吸收完成后得到富二氧化碳吸收液；吸收剂吸收CO2后相态见图1，从图中可以看出，实施例1、对比例1和对比例3为均匀液态，对比例2为固态（吸收方面，固体产物粘稠，会堵塞反应器管道，增加风险，使CO2在吸收剂中的传质效率下降；再生方面，固体难以分离，在加热解吸时容易受热不均，这都增加设备成本），结果表明，本实施例制得的吸收剂能和传统吸收剂（对比例1）一样保持液态；进一步比较均匀液相吸收剂的吸收效果，吸收负荷结果见图2；
对完成吸收的富二氧化碳吸收液进行解吸实验，具体实验方法：将完成吸收的富二氧化碳吸收剂转移到接有冷凝回流管的三口烧瓶中（瓶中含转子），转速为120 rpm，油浴恒温120℃，然后打开冷凝水、调节转速进行二氧化碳解吸，同时开始计时，解吸时间为40min，压力为常压，检测并记录出口二氧化碳流量，解吸完成后得到贫二氧化碳吸收液，解吸速率结果见图3，解吸负荷结果见图2。
实施例2：本实施例胺类非水吸收剂的组成如下：N-氨乙基哌嗪25%、2-氨基-2-甲基-1-丙醇5%、乙二醇28%，乙二醇乙醚42%，将组成物按比例混合搅拌均匀即得胺类非水吸收剂；对比例同实施例1；
将上述制得的胺类非水吸收剂、对比例1吸收剂用于捕集二氧化碳，具体操作如下：
用天平称取50g吸收剂放入透明鼓泡吸收瓶中，水浴恒温40℃，然后将体积浓度为99.9%的二氧化碳气体通入吸收剂中接触反应，同时开始计时，吸收时间为90min，进口二氧化碳流量为120mL/min，压力为0.1MPa，检测并记录出口二氧化碳流量，吸收完成后得到富二氧化碳吸收液；吸收负荷结果见图2；
对完成吸收的富二氧化碳吸收液进行解吸实验，具体实验方法：将完成吸收的富二氧化碳吸收剂转移到接有冷凝回流管的三口烧瓶中（瓶中含转子），转速为120 rpm，油浴恒温120℃，然后打开冷凝水、调节转速进行二氧化碳解吸，同时开始计时，解吸时间为40min，压力为常压，检测并记录出口二氧化碳流量，解吸完成后得到贫二氧化碳吸收液，解吸速率结果见图3，解吸负荷结果见图2。
图2中，对比实施例1、实施例2的胺基非水吸收剂、对比吸收剂对比例1和对比例3的二氧化碳吸收负荷和解吸负荷，可以看出，胺基非水吸收剂、对比吸收剂的吸收效果相当，吸收负荷都不低于2.0 mol/kg，但是胺基非水吸收剂的解吸负荷高于对比吸收剂，说明本发明所提供的胺类非水吸收剂有良好的吸收和解吸能力。
图3中，对比实施例1、实施例2的胺基非水吸收剂、对比吸收剂对比例1和对比例3的二氧化碳解吸速率，可以看出，实施例1和实施例2的胺基非水吸收剂的最大解吸速率都高于对比吸收剂，说明本发明胺类非水吸收剂容易解吸。
实施例3：循环稳定性实验
将实施例1、2中的胺基非水吸收剂进行多次的吸收实验和解吸实验，通过循环实验，考察了实施例1和实施例2所述吸收剂的二氧化碳吸收负荷与循环次数的关系，实验结果见图4、5，可以看出，实施例1和实施例2的胺基非水吸收剂经过4次循环仍能保持稳定的二氧化碳负荷，说明本发明胺类非水吸收剂有良好的循环稳定性。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非用于本发明的保护范畴。凡在本发明的精神和原则之内的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂，其特征在于：组成物及质量百分比为主吸收剂20~30%、助吸收剂3~9%、其余为复合溶剂；其中，复合溶剂由多元醇和有机醇醚混合组成，多元醇与有机醇醚的质量比为（2~5）:（5~2）。
2.根据权利要求1所述的用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂，其特征在于：主吸收剂为N-(2-羟乙基 ) 乙二胺、N-氨乙基哌嗪、二乙烯三胺中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂，其特征在于：助吸收剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇和/或哌嗪。
4.根据权利要求1所述的用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂，其特征在于：复合溶剂中的多元醇为乙二醇、二甘醇、丙三醇中的一种。
5.根据权利要求1所述的用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂，其特征在于：复合溶剂中的有机醇醚为乙二醇单甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇单丙醚中的一种。
6.权利要求1-5中任一项所述的用于捕集二氧化碳的胺类非水吸收剂的使用方法，其特征在于，步骤如下：
（1）先用乙二醇对含二氧化碳的气体进行脱水，再将脱水后气体与胺类非水吸收剂接触发生反应，吸收饱和后得到富二氧化碳吸收液，吸收温度为30℃~50℃，吸收压力为常压；
（2）将步骤（1）富二氧化碳吸收液进行加热解吸释放出二氧化碳，解吸完成后得到贫二氧化碳吸收液，解吸温度为100℃~120℃，解吸压力为常压；
（3）贫二氧化碳吸收液继续用于二氧化碳吸收，继之进行解吸，循环反复，实现胺类非水吸收剂的多次吸收、再生循环。
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