師小杰，劉有智，祁貴生，谷德銀

（中北大學(xué)山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051）

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超重力法處理室內(nèi)過量CO2的實(shí)驗(yàn)研究

師小杰，劉有智，祁貴生，谷德銀

（中北大學(xué)山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051）

分析了幾種常用的室內(nèi)處理CO2氣體方法的優(yōu)缺點(diǎn)，其中傳統(tǒng)方法吸收過程復(fù)雜且設(shè)備密封要求較高，雖然膜分離技術(shù)選擇性較好，但是常溫下壓降為5～30 kPa，穩(wěn)定性差?；诔亓夹g(shù)運(yùn)行穩(wěn)定，且濕床壓降僅為150 Pa的優(yōu)勢(shì)，本文提出了超重力法對(duì)室內(nèi)低濃度的過量CO2氣體進(jìn)行處理，通過考察超重力因子、氣液比、氣體濃度對(duì)脫除效果的影響，確定了適宜的實(shí)驗(yàn)脫除條件：超重力因子131，氣液比60。在適宜的實(shí)驗(yàn)脫除條件下，超重力法對(duì)室內(nèi)不同濃度CO2氣體的單次吸收率均達(dá)到26%以上且反應(yīng)時(shí)間在0.1 s以內(nèi)，經(jīng)過8次循環(huán)CO2氣體濃度從13750 mg/m3下降到800 mg/m3以下，脫除率達(dá)到90%以上。因此，采用超重力法處理室內(nèi)過量CO2氣體在技術(shù)上是可行的。

超重力法；室內(nèi)過量CO2；超重力因子；脫除率

CO2是室內(nèi)空氣污染的主要污染物之一[1]，新鮮空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為0.04%，室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)約為0.07%，而人群密集處CO2濃度往往會(huì)比正常值高出數(shù)倍[2]。毒理學(xué)[3]研究表明，CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.10%時(shí)，人體有不適感，長(zhǎng)期居住會(huì)感到難受、精神不振，甚至影響健康；達(dá)到1%時(shí)，人會(huì)有氣悶，頭昏，心悸；達(dá)到4%～5%時(shí)感到眩暈；達(dá)到6%以上時(shí)使人神志不清、呼吸逐漸停止以致死亡[4]。室內(nèi)空氣中CO2的個(gè)體敏感性差異很大，病人和特殊工作人員（飛機(jī)駕駛員、核電廠工作人員等）對(duì)CO2敏感性更高[5]。因而，對(duì)室內(nèi)過量CO2進(jìn)行治理越來越成為熱門研究課題[6]。

利用CO2的弱酸性，使用堿性水溶液脫除過量CO2氣體是工業(yè)生產(chǎn)中最常用到的方法之一，配置堿性水溶液常用的堿源有NaOH、KOH、Na2CO3以及有機(jī)胺等，且工業(yè)吸收CO2所需時(shí)間往往較長(zhǎng)[7]。常用的有機(jī)胺有一乙醇胺（MEA）、N-甲基二乙醇胺（MDEA）和空間位阻胺等，MEA反應(yīng)產(chǎn)物氨基甲酸鹽具有較強(qiáng)腐蝕性；MDEA需加入多種添加劑才能緩解反應(yīng)速率較慢的問題，價(jià)格極其昂貴；空間位阻胺法由國外科研機(jī)構(gòu)（美國Exxon、日本三菱重工）提出，國內(nèi)南化集團(tuán)目前已工業(yè)化，雖吸收率高但結(jié)構(gòu)復(fù)雜[8]。室內(nèi)CO2濃度較工業(yè)中的來說要低很多，傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)低濃度CO2的捕集比較困難，例如密封艙室內(nèi)利用單羥乙胺溶液、氫氧化鋰和超氧化物作等為吸收劑進(jìn)行吸收，由于過程繁冗且部分吸收劑有毒，所以吸收系統(tǒng)往往較為復(fù)雜且設(shè)備密封要求較高，而膜分離法和生物降解法還在實(shí)驗(yàn)室研究階段[9-12]。超重力技術(shù)作為一種突破性的強(qiáng)化“三傳一反”過程的新技術(shù)[13-15]，其具有傳質(zhì)效率高、液泛點(diǎn)低、處理量大、體積小、能耗低、微觀混合均勻、安裝方式靈活、易維修等優(yōu)點(diǎn)[16]。為此，作者提出一種行之有效的吸收低濃度CO2的方法，采用實(shí)驗(yàn)室自發(fā)研制的超重力機(jī)作為反應(yīng)器，以NaOH溶液為吸收劑，對(duì)不同濃度的微量CO2氣體進(jìn)行捕集，考察本方法對(duì)CO2氣體在低濃度范圍內(nèi)的脫除效果，以指導(dǎo)今后的實(shí)際操作和研究工作。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)主要裝置及試劑

實(shí)驗(yàn)主要裝置：超重力機(jī)一臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)；羅茨風(fēng)機(jī)一臺(tái)，原平聯(lián)通風(fēng)機(jī)廠； CO2便攜式檢測(cè)儀，REA Systems公司，型號(hào)PGM-50；離心泵一臺(tái)，石一泵業(yè)有限公司；

實(shí)驗(yàn)所用試劑：NaOH（片狀工業(yè)純），青海堿業(yè)有限公司；CO2氣源（工業(yè)用氣），晉太氣體有限公司；濃鹽酸，天津市申泰化學(xué)試劑有限公司；酚酞試劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)所用CO2氣體來自CO2鋼瓶，CO2氣體由于壓力的作用由鋼瓶經(jīng)減壓閥、氣體流量計(jì)進(jìn)入緩沖罐，空氣由羅茨風(fēng)機(jī)經(jīng)氣體流量計(jì)進(jìn)入緩沖罐，氣體經(jīng)過充分混合均勻后，經(jīng)過流量計(jì)進(jìn)入超重力機(jī)；吸收液由儲(chǔ)液罐經(jīng)離心泵和液體流量計(jì)進(jìn)入超重力機(jī)，再經(jīng)液體分布器噴灑到填料內(nèi)緣，通過超重力場(chǎng)離心甩出。在填料層內(nèi)，氣體經(jīng)填料旋轉(zhuǎn)剪切，跟液體逆流接觸，進(jìn)行充分接觸反應(yīng)后，氣體由出氣口排出，液體由液體出口排出。在氣體進(jìn)口和出口處分別留有取樣口，以檢測(cè)CO2體積分?jǐn)?shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

操作參數(shù)：氣體流量（G）10～30 m3/h，進(jìn)氣口氣體CO2的體積分?jǐn)?shù)（?0）為（500～8500）×10-6，液體流量（L）40～700 L/h，NaOH濃度為0.2～2 kmol/m3，超重力因子在0～190，操作溫度為室溫。

1.3 分析測(cè)試方法

試驗(yàn)中吸收液和原料氣體流量分別用液體和氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定；NaOH溶液實(shí)際濃度通過HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定后計(jì)算得到，滴定以酚酞作為指示劑；CO2脫除效率η定義為進(jìn)出口CO2體積分?jǐn)?shù)之差與進(jìn)氣口CO2體積分?jǐn)?shù)的比值，如式（1）。

2 結(jié)果與討論

通過上文提出的實(shí)驗(yàn)方法跟實(shí)驗(yàn)流程，分別從超重力因子[16]、氣液比、氣體濃度等方面考察了該實(shí)驗(yàn)設(shè)備在不同濃度的NaOH溶液對(duì)CO2氣體脫除率的影響。

2.1 超重力因子對(duì)CO2氣體脫除率的影響

超重力因子β是用來衡量超重力場(chǎng)強(qiáng)弱的，是旋轉(zhuǎn)填料層平均離心加速度與常重力加速度之比，其積分化簡(jiǎn)式如式（2）。

從圖2中可以看出，當(dāng)其他實(shí)驗(yàn)條件恒定，NaOH溶液濃度增大，CO2氣體脫除率略有增加，當(dāng)超重力因子為21時(shí)，3種不同濃度NaOH溶液的脫除率差別不大，而隨著超重力因子的不斷增加，三者脫除率之間差值逐漸變大，當(dāng)超重力因子達(dá)到131時(shí)，脫除率達(dá)到最大，超重力因子再增加到189時(shí)，脫除率下降，但不同濃度NaOH脫除率之間的差值與超重力因子等于131時(shí)的差值近似，其原因可能是：當(dāng)超重力因子低時(shí)，填料對(duì)氣液流體的剪切作用較小，對(duì)氣液流場(chǎng)的擾動(dòng)較小，填料間隙內(nèi)氣膜與液膜內(nèi)的單向傳質(zhì)沒有被有效加強(qiáng)，因此不同濃度的NaOH溶液的脫除率相差不大；隨著超重力因子的增加，液體被剪切成更細(xì)的液絲、液滴和液膜，填料對(duì)液體的剪切效果提高，當(dāng)超重力因子為131時(shí)近乎最佳；當(dāng)超重力因子繼續(xù)增加，雖填料的剪切效果不變，但液體所受離心力的加大使液體在填料中的停留時(shí)間變短，氣液接觸不足，以致脫除率有所下降。

圖2 超重力因子β對(duì)CO2氣體脫除率的影響（氣液比75，入口CO2濃度1375 mg/m3）

圖3 氣液比對(duì)CO2氣體脫除率的影響（超重力因子131，入口CO2濃度1375 mg/m3）

2.2 氣液比對(duì)CO2氣體脫除率的影響

從圖3中得知，NaOH溶液濃度較高，其對(duì)CO2氣體的脫除率也就越高；氣液比由44逐步增大到60的過程中，NaOH溶液的脫除率緩慢提高，當(dāng)氣液比大于60后，NaOH溶液的脫除率迅速變小。分析其原因可能是：當(dāng)氣體流量一定時(shí)，增加氣液比意味著減小進(jìn)液量，氣液比為300時(shí)，液體對(duì)填料的潤(rùn)濕不足，氣液接觸面積小，只有部分潤(rùn)濕的填料能與CO2氣體反應(yīng)，NaOH溶液濃度的高低，決定了單位面積液膜中OH-的量，故在一定程度上影響了單位時(shí)間內(nèi)參與反應(yīng)的分子數(shù)量，濃度高的溶液?jiǎn)挝幻娣e的液膜內(nèi)OH-的量也會(huì)增大，在單位時(shí)間內(nèi)參與反應(yīng)的分子數(shù)量高于濃度低的溶液[18]，因此脫除率略有升高；隨著氣液比的減小，液體流量增加，填料的潤(rùn)濕面積不斷增加，液體在填料中的剪切越來越完全，當(dāng)氣液比為60時(shí)，氣體、液體流量達(dá)到一個(gè)較為適宜的值，脫除率達(dá)到實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的最佳值；而氣液比的繼續(xù)增加，會(huì)有少量液體無法及時(shí)得到剪切，在填料層緩慢累積，相間接觸面積減少，從而影響氣液相之間的接觸與反應(yīng)，因而脫除率緩慢下降；當(dāng)液體流量一定時(shí)，增加氣液比意味著增大進(jìn)氣量，而氣體流量決定了進(jìn)口氣速，也決定了氣體在填料中的停留時(shí)間，在達(dá)到氣液平衡所用時(shí)間長(zhǎng)于停留時(shí)間的前提下，停留時(shí)間加長(zhǎng)有利于吸收率的提高，因而氣液比越大，脫除率越低。

2.3 入口氣體濃度對(duì)CO2氣體脫除率的影響

圖4中，脫除率隨入口氣體濃度的增加呈先增大后緩慢減小的趨勢(shì)，當(dāng)氣體濃度在1000～4000 mg/m3時(shí)，脫除率基本保持在27%～30%，表明對(duì)略高于大氣標(biāo)準(zhǔn)濃度的CO2氣體依舊具有穩(wěn)定的脫除率；當(dāng)入口氣體濃度為11786 mg/m3時(shí)脫除率達(dá)到最大；而對(duì)于不同濃度的CO2氣體，單次脫除率均保持在26%以上。實(shí)際操作中，將濃度為13750 mg/m3的CO2氣體降至濃度800 mg/m3（大氣CO2氣體濃度近似值）以下，僅需進(jìn)行8次循環(huán)處理，出口CO2氣體脫除率便達(dá)90%以上。

圖4 入口氣體濃度對(duì)CO2氣體脫除率的影響（超重力因子131，氣液比60）

3 結(jié) 論

采用超重力法處理室內(nèi)空氣中的過量CO2氣體，影響其脫除率的主要因素為超重力因子和氣液流量。在室內(nèi)環(huán)境中，其最佳操作參數(shù)：超重力因子131，氣液比60，在此條件下，本方法單次脫除效率穩(wěn)定在26%以上，將室內(nèi)CO2氣體濃度從13750 mg/m3下降到800 mg/m3以下僅需經(jīng)過8次循環(huán)，脫除率便可達(dá)90%以上。對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)備無法處理室內(nèi)過量CO2氣體這一現(xiàn)狀，利用超重力機(jī)體積小、強(qiáng)化傳質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，采用超重力法實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)過量CO2處理這一難題的突破，快速脫除室內(nèi)過量CO2氣體，對(duì)室內(nèi)環(huán)境的凈化研究具有重要意義，可用于指導(dǎo)今后的實(shí)際操作，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

符 號(hào) 說 明

g——重力加速度，m/s2

r1——填料層的內(nèi)半徑，m

r2——填料層的外半徑，m

ω——角速度，ω=2πN/60，s-1

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Experimental research on high gravity method treatment of excessive indoor CO2

SHI Xiaojie，LIU Youzhi，QI Guisheng，GU Deyin
（Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

This paper analyzes the advantages and disadvantages of several common methods dealing with indoor CO2. The traditional method of absorption is complex and requires a high degree of sealing device. Membrane separation technology has good selectivity，but at room temperature pressure drop is 5～30kPa and stability is poor. Based on the advantage of running stability and wet bed pressure drop of only 150Pa of high-gravity technology，this paper presents a method of using high-gravity technology to process indoor low concentration excessive CO2. By investigating high-gravity factor，gas-liquid ratio and gas concentration on removal effect，the the appropriate removal experiment condition is as follows：high-gravity factor is 131 and gas-liquid ratio is 60. Under the appropriate removal experiment condition，single cycle absorption rate for indoor different concentrations of CO2reaches more than 26%，reaction time is less than 0.1s，CO2concentration decreases from 13750 mg/m3to less than 800 mg/m3after 8 cycles and removal rate is up to 90%. Therefore，the high-gravity method to deal with indoor excessive CO2is feasible in technology.

high gravity method；indoor excessive CO2；high gravity divisor；removal rate

TQ 09

A

1000-6613（2014）04-1050-04

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.04.045

2013-08-30；修改稿日期：2013-10-18。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21376229-21206153）。

師小杰（1986—）男，碩士研究生。聯(lián)系人：劉有智，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail lyzzhongxin@126.com。