碱性氨基酸盐活化碳酸钾溶液吸收CO2的动力学研究

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二氧化碳排放对全球气候变化的影响日益显著,控制化石燃料电厂碳排放是最有效的途径。化学吸收法是目前碳捕集常用的技术之一。碳酸钾溶液具有低吸收热、成本低、耐氧化、热降解和不挥发等优点,在高温高压的处理体系中已成熟应用。但在电厂燃烧后捕集条件下,吸收速率较慢。加入高效活化剂成为近年来研究的热点方向。与目前活化剂相比,碱性氨基侧链的氨基酸盐如赖氨酸钾含有高活性氨基基团,同时具有挥发性小、抗氧化能力强等优良特性,是具有良好应用前景的潜在活化剂。但是其吸收动力学特征、活化性能等在文献中未见报道。因此开展氨基酸盐及其活化碳酸钾溶液吸收CO2的研究具有重要的理论价值和现实意义。论文比较了赖氨酸钾(LysK)、精氨酸钾(ArgK)和组氨酸钾(HisK)三种氨基酸盐活化35wt%碳酸钾溶液以及5M乙醇胺(MEA)溶液的CO2吸收传质速率;利用密度粘度仪测定了三种碱性氨基酸盐不同条件下的物性数据;类比法测定了N2O和CO2在氨基酸盐水溶液中的物理溶解度;氮气循环法测定了1.0-2.5M赖氨酸钾溶液313-343K的气液平衡数据;在湿壁柱装置中测定了在0.25-2.0M和298-333K范围内赖氨酸钾溶液吸收CO2的动力学数据,并获得两性离子机理和三分子机理的动力学常数;同时考察了赖氨酸钾活化碳酸钾溶液吸收CO2的动力学特征。活化剂筛选结果表明,碱性氨基酸盐均具有较好的活化效果,比纯碳酸钾溶液吸收速率提高了3倍以上,其中LysK和ArgK与MEA吸收CO2速率相当。氨基酸盐溶液吸收CO2前后的(13)C NMR谱表明吸收后产生了氨基甲酸根和碳酸氢根离子。论文测定了碱性氨基酸盐的密度、粘度数据并获得了拟合方程。CO2在碱性氨基酸盐溶液中的物理溶解度为:ArgK<LysK<HisK;根据Weisenberger-Schumpe模型,获得氨基酸离子特性参数h<sub>AA-,并发现h<sub>AA-随温度升高呈降低趋势。赖氨酸钾溶液气液平衡测定结果发现,CO2的平衡气压随着溶液负载和温度的升高而增加,但当溶液的负载低于0.5时,CO2的平衡气压低于0.1 kPa。LysK水溶液吸收CO2的动力学表明,随着溶液浓度和温度的升高,kOV显著增加,高于相同条件下的MEA溶液;Lys K的平均反应级数为0.96,反应活化能为27.79kJ/mol。在考察的浓度和温度范围内,LysK活化碳酸钾溶液均比未活化液吸收速率快;随着LysK添加浓度和温度的增加CO2吸收速率显著提高,加入1.0M LysK时传质速率可以提高约10倍,达到0.55-1.0×10-2mol m-2s-1,但仍低于工业应用的5M MEA。
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