科 技·TECHNOLOGY
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文_姚靖1,2 梁怀勇1,2 潘艳艳1,2 周小斌1,2
1. 桂林理工大学环境科学与工程学院
2.广西环境污染控制理论与技术重点实验室
摘要：本研究以乙醇胺（MEA）为活性组分，二甲基亚枫（DMSO）为溶剂，配制MEA-DMSO无水吸收剂用于CO 2
捕集。研究表明，
在40℃下，MEA-DMSO的CO
2
吸收负荷可达0.71mol·mol-1，该结果比传统MEA水溶液的吸收负荷高24.6%；在120℃下， MEA-DMSO的最大CO
2
解吸速率和解吸负荷分别为0.23mol·min-1·kg-1和0.38mol·mol-1，远优于MEA水溶液；经历6次循环
吸收，MEA-DMSO的CO
2负荷仍可保持0.33mol·mol-1。以上结果说明MEA-DMSO具有良好的CO
2
吸收-解吸性能，是一种颇
具应用潜力的CO
2
吸收剂。
关键词：CO
2
电流信号源捕集；乙醇胺；二甲基亚枫；吸收-解吸性能
基金项目：广西自然科学基金项目（2020GXNSFBA297071）、广西科技计划项目（桂科AD18126018）和桂林理工大学科研基金项目（GUTQDJJ2019123）资助。
CO2 Absorption and Desorption Performance of Monoethanolamine-dimethyl
Sulfoxide Nonaqueous Solution
YAO Jing LIANG Huai-yong PAN Yan-yan ZHOU Xiao-bin
[ Abstract ] A nonaqeous absorbent comprising of monoethanolamine (MEA) and dimethyl sulfoxide (DMSO) was proposed for CO2 capture in this study. The experimental results showed that the CO2 absorption loading of the MEA-DMSO solution could realize 0.71 mol·mol-1 at 40℃, which was 24.6% higher than that of the conventional MEA aqueous solution. In addition, the MEA-DMSO solution had a high maximum desorption rate (0.23mol·min-1·kg-1) and desorption loading (0.38mol·
mol-1) at 120℃, clearly outperforming the MEA aqueous solution. Moreover, the MEA-DMSO solution could be used repeatedly, its CO2 absorption loading was still 0.33mol·mol-1 after six absorption cycles. Therefore, the MEA-DMSO solution may be a promising candidate for CO2 capture due to its superior CO2 absorption-desorption performance.
[ Key words ] CO2 capture; monoethanolamine; dimethyl sulfoxide;absorption-desorption performance
减缓气候变暖，对CO
2
实施控制与减排已成为全球共识。
CO
2
的排放主要来源于能源系统，尤其是燃煤电厂。因此，对电
厂烟气实施CO
2
捕集和利用是实现碳减排的有效手段。目前，
基于乙醇胺水溶液（MEA-H
2O）的化学吸收法是烟气CO
2
捕
集最有效的方法之一。然而，MEA-H
2O用于CO
2
捕集存在再
生能耗高、处理成本昂贵的缺陷。
对于MEA-H
2
O而言，过高的再生能耗主要是由于溶剂水较大的比热和蒸发焓。同水相比，有机溶剂具有较低的比热和
档案解密全集2012蒸发焓，因此用有机溶剂代替水构建无水吸收剂是降低CO
2
捕集能耗行之有效的手段。近年来，研究者们相继开发出MEA-甲醇、MEA-甲基甲酰胺（NMF）、MEA-乙醇、MEA-苯甲
醇、MEA-乙二醇单甲醚（2ME）等无水吸收剂用于低能耗CO
2
捕集。然而，醇类溶剂沸点低、蒸气压大，在CO
2
2013年中央经济工作会议全文
捕集过程中
易挥发损失；酰胺或醚类作为溶剂时，MEA的CO
2
吸收负荷较低。寻合适的有机溶剂用于构建新型MEA无水吸收剂仍是研究的重点。
二甲基亚枫（DMSO）具有沸点高、蒸气压低、热稳定性好的优点，同时其具有高极性，能在一定程度上促进有机胺与
CO
2
的反应，提升胺的CO
2
吸收负荷。因此，本文拟以DMSO 作为溶剂，MEA作为吸收活性组分，构建MEA-DMSO无水
吸收剂用于CO
2
捕集，全面考察该新型吸收剂的CO
2
吸收-解吸性能。
俺妈说了
1 材料与实验装置
1.1 材料
乙醇胺（MEA，纯度99.0%）、二甲基亚枫（DMSO，纯度99.8%）等试剂均为分析纯，购买于上海阿拉丁生化科技有限公
司。CO
2
气体（纯度99.999%）购买于桂林如一生物科技有限公司。配置水溶液所用的水为实验室自制去离子水。
1.2 实验装置
实验所用装置主要有CO
lgks200
2
吸收装置和解吸装置。吸收装
置由CO
2
气瓶、气体流量控制器、流量显示仪、鼓泡吸收管、恒温水浴锅、皂膜流量计等组成（见图1）；解吸装置由冷凝管、磁力搅拌油浴锅、洗气瓶、皂膜流量计等组成（见图2）。
·
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图1 CO 2
吸收装置
图2 CO 2解吸装置
2 实验方法
2.1 吸收实验
为避免吸收CO 2后粘度过大，无水吸收剂中胺的质量分数一般不超过20%。因此，本研究配制MEA 质量分数为20%的MEA-DMSO 溶液用于CO 2吸收。首先，将配制的溶液置于鼓泡吸收管中加热到所需温度，随后向吸收管中通入纯CO 2气体（气体流量设定为80mL·min -1），通过皂膜流量计测定不同时刻下吸收管出气口的CO 2流速。基于吸收管进、出口的气体流量差，即可计算CO 2吸收速率。 2.2 解吸实验
CO 2解吸实验在解吸装置中进行。将CO 2饱和的溶液移至磁力搅拌油浴锅中加热至所需温度，当溶液开始冒泡时开始解吸计时，随后利用皂膜流量计测定不同时刻下溶液释放CO 2的速率。通过计算，即可得到溶液的CO 2解吸负荷。
此外，另配制30wt% MEA 水溶液（MEA-H 2O）用于与MEA-DMSO 溶液进行CO 2吸收-解吸性能对比。以上吸收/解吸实验均进行了重复实验。
2.3 计算方法
吸收过程中，CO 2瞬时吸收速率可根据吸收管进、出口气体流量差计算得到：
（1）
式中 r a 为CO 2瞬时吸收速率
（mol·min -1·kg -1），Q in 和Q out 分别为进、出口流量（mL·min -1），T 0和T act 分别为标准状态
和实际状态下的温度（K），P 0和P act 分别为标准状态和实际状态下的大气压强（kPa），m 为吸收剂质量（kg）。
吸收剂的CO 2吸收负荷可由吸收速率对时间积分求得：
（2）
枕部
式中 α为CO 2吸收负荷（mol·mol -1），t 为吸收时间（min），C 为MEA 浓度（mol·kg -1）。
解吸过程中，CO
瞬时解吸速率可由式（3）计算得到：
(3)
式中 r d 为CO 2解吸速率（mol·min -1），为冷凝管出口气体流量（mL·min -1）。
CO 2： (4)
式中 为CO 2解吸负荷
（mol·mol -1），t 为解吸时间（min），C 为MEA 浓度（mol·kg -1），V 为吸收剂体积（L）。
3 结果与讨论
3.1 CO 2吸收性能考察
研究首先考察了MEA-DMSO 在40℃下的CO 2吸收性能，
并以MEA-H 2O 溶液的CO 2吸收性能作为对比。图3为2种吸收剂的CO 2吸收负荷随吸收时间的变化曲线，2种吸收剂的吸收负荷均随着时间的增加而增加，40min 后接近于饱和，达到吸收饱和后MEA-DMSO 的吸收负荷高达0.71mol·mol -1，比MEA-H 2O 的吸收负荷（0.57mol·mol -1）高24.6%。由此可见，以DMSO 代替水作为溶剂可显著提高MEA 的CO 2
吸收能力。
图3 MEA-DMSO 和MEA-H 2O 在40℃下的CO 2吸收负荷对比
烟气经过湿法脱硫后的温度通常在40～55℃之间，因此MEA-DMSO 能否在该温度范围内保持良好的CO 2吸收能力对于其实际应用具有重要意义。研究考察了MEA-DMSO 在30～60℃温度范围内的CO 2吸收性能。如图4所示，在不同温度下，MEA-DMSO 的CO 2吸收负荷均随时间的增加迅速升高并
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最终达到吸收饱和。MEA-DMSO 的饱和吸收负荷随温度的升高并未呈现明显的降低，在60℃下依然能保持0.68mol·mol -1。此结果表明，MEA-DMSO 具有稳定的CO 2吸收能力，能适应
烟气脱硫后的温度范围。
图4 MEA-DMSO 在不同温度下的CO 2吸收负荷
3.2 CO 2解吸性能考察
除了吸收性能，解吸性能也是评价吸收剂的重要指标。研究考察了MEA-DMSO 和MEA-H 2O 在100～120℃下的CO 2解吸性能。图5为2种吸收剂在不同温度下CO 2解吸速率随时间的变化曲线，在不同温度下，2种吸收剂的CO 2解吸速率均随时间的增加先升高后下降，25min 后解吸速率趋向于零。2种吸收剂的最大解吸速率均随温度的升高而升高。在同一温度下，MEA-DMSO 的最大CO 2解吸速率显著高于MEA-H 2O。例如，在120℃下，MEA-DMSO 的最大解吸速率为0.23mol·min -1·kg -1，而MEA-H 2O 的最大解吸速率仅为0.14mol·min -1·kg -1
。
图5 MEA-DMSO 和MEA-H 2O 在不同温度下的CO 2解吸速率
图6为MEA-DMSO 和MEA-H 2O 在不同温度下的CO 2
解吸负荷，2种吸收剂的解吸负荷均随温度的升高而升高，说明提高温度有利于CO 2解吸。在同一温度下，MEA-DMSO 的解吸负荷显著高于MEA-H 2O。例如，在120℃下，MEA-DMSO 的解吸负荷可达0.38mol·mol -1，该值是MEA-H 2O 解吸负荷（0.29mol·mol -1）的1.31倍。以上结果表明，相较于MEA-H 2O，MEA-DMSO 具有更优异的CO 2解吸性能。较高的CO 2
解吸速率和解吸负荷，不仅能缩短吸收剂的CO 2解吸时间，同时能降低气体的压缩功，有利于降低CO 2
捕集运行成本。
图6 MEA-DMSO 和MEA-H 2O 在不同温度下的CO 2解吸负荷
3.3 循环吸收实验
循环吸收性能可用于评估吸收剂的长期使用稳定性。研究考察了MEA-DMSO 吸收剂的6次循环吸收性能，相比于第一次吸收，MEA-DMSO 第二次吸收CO 2的负荷有较为明显的下降，由0.71降至0.38mo
l·mol -1。这可能是由于MEA-DMSO 与CO 2反应生成了部分难以热分解的产物，导致吸收剂的活性组分浓度降低，从而影响后续CO 2吸收。但从第二次吸收开始，随着循环吸收次数的增加，吸收负荷仅呈现轻微的降低。经历6次循环吸收，MEA-DMSO 的CO 2负荷仍可保持0.33mol ·mol -1。此结果说明，MEA-DMSO 具有良好的循环吸收稳定性，是一种颇具应用潜力的CO 2吸收剂。
4 结论
本文以MEA 为活性组分，DMSO 为溶剂，配制MEA-DMSO 无水吸收剂用于CO 2捕集。吸收性能研究表明，在40℃下，MEA-DMSO 的CO 2吸收负荷高达0.71mol·mol -1，该结果比传统MEA 水溶液的吸收负荷高24.6%；在30～60℃的温度范围，MEA-DMSO 的CO 2负荷随温度的升高呈现轻微降低。解吸性能研究表明，MEA-DMSO 的最大CO 2解吸速率和解吸负荷均随温度的升高而升高，在120℃，两者可达0.23mol·min -1·kg -1和0.38mol·mol -1，远优于MEA 水溶液。此外，MEA-DMSO 具有稳定的CO 2循环吸收性能，经历6次循环吸收，其CO 2负荷仍可保持0.33 mol·mol -1。
参考文献
[1]窦锦玲，何志强. 化学法吸收烟气中CO 2的实验研究[J]. 化工管理, 2017，(21): 77-78.
[2]王建行, 赵颖颖, 李佳慧，等. 二氧化碳的捕集、固定与利用的研究进展[J]. 无机盐工业, 2020, 52(4): 12-17.
作者简介
周小斌（1990-），男，汉族，博士，研究方向为大气污染控制。
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