赖氨酸钾/碳酸钾复合液捕集二氧化碳特性及反应动力学

摘要

由温室气体引起的全球气候变化是当今最重要的环境问题之一。而二氧化碳（CO2）作为最主要的温室气体，其控制与减排受到越来越多的关注。鉴于目前全球能源结构仍然以化石燃料为主，从CO2的排放源中捕集、回收CO2是CO2控制与减排最直接的方式。碳酸钾（K2CO3）溶液具有低吸收热、无毒和较高的CO2负载能力等优势，在碳捕集领域有较大的应用潜力。但K2CO3溶液吸收CO2的速率慢导致其在推广应用上受到一定限制，因此借助高效环保的活化剂来增强其吸收CO2的能力成为该方法捕集CO2的重要手段。本文选择赖氨酸钾（LysK）溶液作为活化剂，强化K2CO3溶液捕集CO2。考察了LysK/K2CO3复合液捕集CO2的吸收-再生特性；探讨了复合液捕集CO2过程中的吸收-再生机理，并在双搅拌釜中考察了复合液吸收CO2的传质反应动力学。具体研究结果如下：
　　LysK/K2CO3复合液捕集CO2的吸收-再生特性研究表明：在LysK溶液浓度为0-1mol L-1(M)的范围内，LysK/K2CO3复合液的CO2吸收速率及CO2吸收负荷均随着LysK溶液浓度的增大而增大。LysK/K2CO3溶液的最佳摩尔配比为5:5（吸收液总浓度为1M），其CO2吸收负荷为1.24mol CO2/mol吸收液，是K2CO3溶液吸收负荷的1.68倍。饱和LysK/K2CO3复合液的最佳再生温度和再生时间分别为120℃和2h，初次再生效率可达到83.76%，略低于单独饱和K2CO3溶液的再生效率（92.06%）。此外，经4次再生后，复合液的再生效率仍然保持在79.19%，表现出良好的循环使用性能。
　　LysK/K2CO3复合液捕集CO2吸收-再生机理研究表明：LysK/K2CO3复合液在吸收CO2的过程中，LysK和K2CO3同时与CO2发生反应。反应开始，K2CO3溶液作为复合液的主要成分，CO32-与CO2反应生成HCO3-；LysK作为活化剂，其与CO2反应遵循Zwitterion机理，即LysK中的氨基与CO2反应生成氨基甲酸酯。随着反应的进行，复合液中吸收剂LysK和K2CO3浓度降低，吸收反应以CO2的水合反应为主，此时溶液中的中间产物氨基甲酸酯水解生成赖氨酸和HCO3-。此时复合液中的饱和复合液的再生是CO2吸收的逆反应：一部分HCO3-经高温分解生成CO32-，随后CO32-高温分解释放CO2，且消耗水中的H+，促使赖氨酸分解为赖氨酸根离子；另一部分HCO3-和赖氨酸根离子反应生成氨基甲酸酯，氨基甲酸酯再高温分解释放CO2，使复合液得以再生
　　复合液的传质反应动力学研究表明：LysK/K2CO3复合液吸收CO2的化学反应属于快速拟一级反应。基于双膜理论，建立了LysK/K2CO3复合液吸收CO2的传质反应动力学模型，获得反应速率常数（k2）和增强因子（E）等重要的动力学参数。结果表明，LysK溶液的浓度越大，LysK/K2CO3复合液吸收CO2的反应速率常数和增强因子越大。通过模型及实验结果，获得了k2,mix与温度（T）的关系为k2=6.3508×1012exp(-6427.9/T)，计算出复合液吸收CO2的化学反应活化能为53.44kJ mol-1，低于K2CO3溶液吸收CO2的化学反应活化能（63.27kJ mol-1），进一步说明LysK溶液对K2CO3溶液吸收CO2的过程具有明显的促进作用。

目录

绪论

第1章 文献综述

1.1 CO2捕集技术概述

1.2 有机胺法捕集CO2

1.3 离子液体捕集CO2

1.4 碳酸钾溶液捕集CO2

1.5 氨基酸盐+碳酸钾复合液捕集CO2

1.6 立题依据及研究内容

第2章 实验方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2 实验装置

2.3 参数定义及分析方法

2.4 表征方法

2.5 重要物化参数

2.6 双搅拌釜气液相分传质系数

第3章 赖氨酸钾/碳酸钾复合液捕集CO2的特性研究

3.1 引言

3.2 赖氨酸钾/碳酸钾复合液捕集CO2的吸收特性

3.3 赖氨酸钾/碳酸钾复合液捕集CO2的再生特性

3.4 本章小结

第4章 赖氨酸钾/碳酸钾复合液捕集CO2的反应机理及动力学

4.1 引言

4.2 赖氨酸钾/碳酸钾复合液捕集CO2的吸收-再生机理

4.3 赖氨酸钾/碳酸钾复合液捕集CO2的传质反应机理

4.4 赖氨酸钾/碳酸钾复合液捕集CO2的传质反应动力学

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 本文创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

作者简历及主要研究成果