生物基吸收剂捕集SO2和CO2的实验研究

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化石燃料燃烧后产生的CO2和SO2是大气排放物中主要的酸性气体。CO2是引起全球气候变暖的主要温室气体,SO2是形成酸雨和雾霾的罪魁祸首。气候变化和环境污染对人类的生产和生活影响严重。目前,工业上主要采用有机胺溶液法捕集CO2,石灰石法脱除SO2。这些吸收剂虽然具有价格低、速率快、容量大等优点,但也面临着二次污染、再生能耗大和腐蚀设备等缺点。因此,开发可再生、价格低廉、性能高效的吸收剂具有重要意义。本文筛选出了五种生物基有机溶剂(BBSs):乙酰丙酸乙酯(EL)、乙酰丙酸丁酯(BL)、丁二酸二丁酯(DBS)、γ-丁内酯(GBL)和γ-戊内酯(GVL)。合成了两种离子液体(ILs)(胆碱乳酸盐[Choline]L,胆碱乙酰丙酸盐[Choline][LA]),并与聚乙二醇-200(PEG-200)复配成混合吸收剂。制备了六种低共熔溶剂(DES):乙酰丙酸-氯化胆碱(LA-CC)、乙酰丙酸-氯化乙酰胆碱(LA-CAC)、乙酰丙酸-四乙基氯化铵(LA-TEAC)、乙酰丙酸-四丁基氯化铵(LA-TBAC)、乙酰丙酸-四乙基溴化铵(LA-TEAB)和乙酰丙酸-四丁基溴化铵(LA-TBAB)。系统研究了上述三类吸收剂的物理化学性质及其对CO2和SO2的捕集性能,对实验数据进行了模型关联,计算得到了相关的热力学参数。结果表明:(1)五种BBSs对SO2和CO2有良好的吸收能力,303.15 K时,CO2在EL中亨利常数(Hm)为0.72 MPa,其吸收能力强于常用的吸收剂NHD(1.05 MPa)。SO2在GBL中的亨利常数(Hm)为12.51 kPa,优于普通的ILs。气体溶解度随分压的增加和温度的降低呈线性增加。带环内酯结构的GVL、GBL对SO2有更好的溶解能力,而含有直链酯结构的EL、BL对CO2有更好的溶解能力。(2)ILs/PEG-200对SO2有较强的吸收能力,303.15 K时SO2在[Choline][LA]/PEG-200中溶解度高达0.1181 g·g-1(4.0 kPa)、0.4638 g·g-1(100.0kPa)。采用建立的反应平衡热力学模型(RTEM)定量拟合吸收数据,得到了亨利常数(H)和反应平衡常数(K0);随着温度的升高,H逐渐增大,K0不断减小,表明低温对SO2吸收有利。(3)DES制备过程简单、粘度较低、吸收SO2的能力强、SO2/CO2的选择性高;光谱分析表明DES吸收SO2、CO2为物理吸收;DES溶解SO2能力主要取决于季铵盐中的阴离子,含Br-的DES比含Cl-的DES吸收能力强;溶解CO2的能力主要取决于阳离子结构,四丁基季铵盐的DES吸收CO2的能力强于四乙基季铵盐的DES。(4)三类吸收剂的合成原料来自于生物基化合物,生物降解性好;其吸收SO2、CO2过程的焓值低,再生能耗低,粘度较低,循环使用性能好,具有好的工业应用潜质。在实验研究的基础上,本文利用ASPEN模拟了LA-CC和EL对烟道气中SO2和CO2的捕集过程。结果表明:LA-CC对SO2去除率可达98%;较大液气比(L/V)和较低温度的EL进料对烟气脱碳是有利的,吸收塔压力(p)越高,CO2去除率(φ)越大,能耗就愈大;当L/V=14,p=3.6 bar时,φCO2约为58%。
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