L_精氨酸水溶液循环吸收与解吸CO_2实验研究
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第 35 O2 实验研究
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氨基酸是生命体所需的主要营养成分，也是治 疗诸多疾病的常用药物。它是一类同时含有氨基和 羧基的有机化合物，根据氨基和羧基数目的不同， 分别呈碱性、中性、酸性
[16]
pKa 值为 12.48， 可归功于胍基。 这个胍基碱性很强，
HN(C4 H8 )NH 2 H + H 2 N (C 4 H8 )NH 2
1 反应机制
精氨酸分子中同时存在氨基、羧基、胍基、直 链烷烃、疏水基团和亲水基团、酸性基团和碱性基 团、分子间氢键和分子内氢键[17]，由于特殊的结构 特点及作为蛋白质的基本结构单元和重要的化工 原料，一直是理论和实验研究的热点。 L–精氨酸的结构式如式(1)所示， 除含有 1 个胍 基外，还包括 1 个羧基和 1 个氨基。分子内羧基和 氨基能反应成盐，称为内盐，亦称两性离子或偶极 离子[16]，如式(2)所示。
文献标志码：A
L–精氨酸水溶液循环吸收与解吸 CO2 实验研究
赵云霞，钟秦
(南京理工大学化工学院，江苏省 南京市 210094)
Experiment Research on CO2 Absorption-desorption Cycles in L-Arginine Aqueous Solutions
(4) (5)
氨基酸电离产生的 H3O 会抑制 CO2 在水中电 离，即降低 CO2 在水中的溶解度。实验测得只含 1 个氨基和 1 个羧基的氨基酸，如甘氨酸水溶液，完 全不吸收 CO2。 因此可将上述内盐近似视为中性盐， 那么在 L–精氨酸分子中起碱性并吸收 CO2 作用的
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中
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(6)
哌嗪作为一种多元胺， 具有较高的 CO2 吸收容 量，约为伯仲胺的 4 倍，常用于混胺吸收 CO2 工艺 中作活化剂，其吸收机制[22]如式(7)—(11)所示：
HN(C4 H8 )NH CO 2 C4 H8 (NCOO ) 2 2H + (7) HN(C4 H8 )NH H + HN(C 4 H8 )NH 2
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第 31 卷 第 35 期 2011 年 12 月 15 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TQ 534
报
Vol.31 No.35 Dec.15, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：47020
文章编号：0258-8013 (2011) 35-0084-06
段时间， 经精密电子天平(精度为 1 mg)称量吸收液 的质量，计算对 CO2 的吸收量。吸收实验在常温 常压下进行。 图 2 为解吸实验装置图。 通过加热吸收液， CO2 气体解吸出来。油浴升温至吸收液中开始有气泡冒 出，控制在该温度下解吸，解吸的 CO2 气体流量由 玻璃皂膜流量计(规格为 50mL)测得。 循环吸收和解 吸重复以上实验步骤。 吸收液的再生度即为 RMn/M0(Mn、M0 分别为
注：A 表示 L-精氨酸水溶液；PZ 表示哌嗪。
图 1 吸收 CO2 实验装置 Fig. 1 Experimental apparatus of carbon dioxide absorption
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化学组成和初始 PH 值见表 1。
表1 Tab. 1 3 种吸收液的化学组成与初始 PH 值 Chemical composition and PH value of
the three kinds of absorption liquid
4 3 5 7 6 8 A A+PZ A+NaOH 1—CO2 钢瓶；2—气体减压阀；3—质量流量仪；4—气体缓冲瓶； 5—磁力搅拌器；6—圆底烧瓶；7—曝气头；8—尾气吸收瓶。 吸收液 化学组成 v(H2O)/mL 40 40 40 m(A)/g 5 5 5 m(PZ)/g — 0.15 — m(NaOH)/g — — 1.15 初始 PH 10.67 10.86 13.09
。L–精氨酸是一种强碱
性氨基酸，能吸收空气中的 CO2。它可以从任何含 有蛋白质的食物中摄取，存在十分广泛。目前，采 用 L–精氨酸水溶液捕集 CO2 的研究还比较少。单 从一次原料投资看，L-精氨酸成本高于 MEA，但 捕集分离 CO2 总成本还应该综合脱除效率、 再生能 耗、循环稳定性等方面考虑。本文采用鼓泡吸收及 加热再生的方法， 考察 L–精氨酸水溶液循环吸收及 解吸 CO2 性能， 并分别与添加哌嗪或氢氧化钠的吸 收液进行对比， 以期为 L–精氨酸吸收技术工业化提 供一定的参考意义。
ZHAO Yunxia, ZHONG Qin
(School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: In view of the environment friendly and strongly alkaline behavior of L-Arginine, it was used as chemical absorbent for CO2 capture. By using bubble absorption and heating regenerative approach, the investigation of CO2 absorption-desorption cycles in aqueous L-Arginine solution was conducted, particularly the absorption liquid with 3% piperazine. The results demonstrate that the aqueous L-Arginine solution possesses good CO2 absorption capacity (about 0.83mol CO2/mol Arginine) at ambient temperatures and pressures. Initial desorption temperature is low, only about 80 ℃ . The absorption capacity of the absorption liquid containing piperazine or sodium hydroxide is superior to that containing nothing. Among them, the aqueous L-Arginine solution containing piperazine is the most suitable for CO2 trapping with the highest desorption rate at 80 ℃. After ten adsorption-desorption cycles, the CO2 amount of desorption is basically uninfluenced and average desorption efficiency is about 100%. KEY WORDS: L-Arginine; CO2 absorption; desorption; piperazine (C4H10N2); sodium hydroxide 摘要：基于 L–精氨酸的环境友好性及强碱性，将其用作捕 获 CO2 的化学吸收剂。采用鼓泡吸收与加热再生的方法， 对 L–精氨酸水溶液吸收与解吸 CO2 性能进行研究，并重 点考察添加 3%哌嗪的 L–精氨酸水溶液。结果表明，常温 常压下， L–精氨酸水溶液具有较高的 CO2 吸收容量，约 0.83mol CO2/mol 精氨酸。 起始解吸温度也较低， 仅 80 ℃。 添加哌嗪或氢氧化钠的吸收液吸收能力优于无添加的精 氨酸水溶液。其中添加哌嗪的 L–精氨酸水溶液最适宜作 CO2 吸收剂，80 ℃下解吸速率均高于其他 2 种吸收液，吸 收解吸循环达 10 次时，解吸量和解吸率未受较大影响， 解吸率接近 100%。 关键词：L-精氨酸；CO2 吸收；解吸；哌嗪(C4H10N2)；氢氧 化钠
0 引言
由于 CO2 是温室气体的主要责任者[1]，碳的减 排问题已成为化工、能源、地质、气象和经济等各 方面专家积极努力的方向[2]。目前，CO2 捕集封存 技术被公认为能拯救地球的最有效方式[3]。正在研 究的 CO2 控制技术很多[4]，其中化学吸收液洗涤法 是发展最成熟、 成本较低的捕集方法之一[5-6]， 已在 多个国家成功工业应用[7-8]。 随着化学吸收法关注度的提升，越来越多的新 型吸收剂被开发出来。Rochelle 等[9]将哌嗪活化的 碳酸钾吸收液与一乙醇胺(monoethanolamine， MEA) 相比，吸收速率快，热降解温度高，前者若加入金 属离子可减少哌嗪的氧化降解。 Svendsen 等[10]对多 种有机胺溶液进行筛选，发现羟乙基乙二胺(amino ethyl ethanol amine， AEEA)吸收容量高， 蒸汽压低， 多次吸收解吸循环后仍具有较高的 CO2 吸收负荷。 张茂[11]以稀氨水为吸收剂， 既降低了成本又避免了 高浓度氨的挥发问题，且吸收效率并未受大影响。 Svendsen 等[12]发现氨基酸盐溶液具有与 MEA 相似 的 CO2 吸收能力，但稳定性要好。吴有庭等[13]合成 了一种含氨基的离子液体 1–(1–氨基丙基)–3–甲基 咪唑溴盐， 是目前吸收 CO2 性能最好的离子液体之 一。Heldebrant 等[14]采用脒或胍基有机试剂的醇溶 液化学可逆吸收 CO2，具有高选择性和较快的吸收 解吸速率。然而，值得关注的是，MEA 等多数有 机胺吸收剂都具有毒性和低生物降解能力[15]， 一旦 失活，排向环境会造成不同程度的污染。离子液体 虽然属于绿色溶剂，但它的合成工艺本身就包含大 量易挥发有机溶剂的使用。 相比而言， 氨基酸低毒、 易生物降解[15]，具备环境友好性。
