CO2-AMP-PZ水溶液的表面张力研究

2022-09-10

前言

气候变暖是全球十大环境问题之首。在最近的几十年中, 全球温度持续上升, 由于全球变暖, 使得冬季降水量增加, 夏季出现异常高温和严重干旱, 某些地区暴雨次数增加, 世界各地冰川减少, 北半球冰雪覆盖面积缩小, 而且海平面平均每年大约上升2.5毫米。科学家预测:如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展, 到2050年全球温度将上升2-4摄氏度, 南北极地冰山将大幅度融化, 导致海平面大大上升, 一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中。气候变暖除了会导致气候反常以外, 同时还会带来以下几种严重的恶果:地球上的病虫害增加、土地干旱, 沙漠化面积增大等。

从目前的研究结果看, 大多数的科学家认为:温室气体, 特别是二氧化碳浓度的剧增引起了气候变暖。由于全球工业化进程加速, 世界经济迅猛发展, 城市化全球化进程的全面推进, 导致人类对能源的需求量大幅增加, 从而使各种污染气体排放量增多, 其中就包含大量的二氧化碳。故温室气体的排放所引发的全球变暖已成为人类生存和发展所不容忽视的环境问题。

一、CO2捕集利用的环境和经济意义

实现可持续发展是中华民族伟大复兴的必由之路, 而低碳的发展符合中国可持续发展的本质要求。中国在人口、资源、环境及经济社会可持续发展方面的政策, 是在从计划经济向市场经济过渡、从满足基本需求向实现以人为本的科学发展转变过程中逐渐摸索出来的。我国可再生能源等清洁能源发展迅速, 比重持续增加, 但是在相当长的一段时期内还不能满足新能源的要求, 燃煤量仍然会持续增长。2005-2008年, 新能源和可再生能源的增长近60%, 风电装机2007年和2008年均比上年增加一倍, 可再生能源占一次能源比重由7%上升至8.9%, 增速和增长量虽然是世界第一, 但是同期的煤炭消费也增长了21%。所以优化能源结构, 发展清洁的, 可持续的能源体系任重且道远。

另外, 由于法国提出对于环保立法不如欧盟严格的国家征收17欧元/吨的二氧化碳的碳关税, 同时美国《清洁能源与安全法案》提出, 从2020年起进口产品均要求购买碳排放额度, 碳关税将成为发达国家向发展中国家施加减排压力的单边贸易措施。而我国在国际产业价值链中处于中低端, 是由于出口产品大多为劳动密集型和资源密集型产品, 故碳关税将对我国出口贸易产生较大影响。

从经济学角度对气候变化进行的研究最早出现在上个世纪90年代, 诺德豪斯Nordhaus 1993) 在当时的研究受到研究者的广泛关注, Nordhaus利用气候变化科学知识分析了温室气体效应, 估算温室气体效应对气候变化的影响, 预测分析了二氧化碳加倍时对美国各行业的收入影响, 结果显示总的收入的损失达到50.3亿美元, 并且提出了有效的征收碳税为处于碳减排的边际成本排和由于排放量减少而碳减排边际收益相等的这一点。

为了应对二氧化碳的减排压力, 发展技术上, 经济上均可行的烟气二氧化碳减排方法, 已经引起了广泛的关注。

二、实验及结果分析

1. 实验装置

(1) 全自动表面张力仪:上海衡平仪器仪表厂;

(2) 超级恒温槽 (CH系列, 精度0.1℃) :上海平衡仪表厂;

(3) FA/JA系列电子天平 (精度0.0001g) :上海精天电子仪器有限公司;

(4) SSW型微电脑恒温水槽 (精度0.1℃) :上海博迅实业有限公司医疗设备厂;

其他:移液管、酒精灯、容量瓶、滴管、烧杯等。

I全自动表面张力仪主机;II超级恒温槽;III主机内部结构;

A金属吊片;B恒温池;C烧杯;D热电偶;E循环水胶管;

实验所用的ZBY-1全自动表面张力仪由上海衡平仪器仪表厂生产, 仪器可测定-5~110℃范围内液体的表面张力, 量程为0~400.0dyn/cm (1dyn/cm=1m N/m) , 精度为0.1dyn/cm。溶液温度控制精确为0.1℃。

BZY-1型全自动表面张力仪采用先进的闭环电磁力平衡测量技术, 对表面张力仪的测量精度、线性和重复性都能达到精确高度。BZY-1型全自动表面张力仪能方便的提供恒温, 根据其温度范围的不同, 选择高低温样品恒温池, 相应地外接CH系列的超级恒温槽。

2. 实验测量方法及原理

(1) 实验测量方法

表面张力测量的方法有很多, 包括:毛细上升法、最大气泡压力法、吊环法、滴重法、表面波法。本文采用基于铂金板标准吊片法理论基础的全自动表面张力仪 (BZY-1) 进行界面张力的测定。

(2) 实验测量原理

当感测吊片浸入到被测液体后, 吊片周围就会受到表面张力的作用, 这个力会将吊片尽量地往下拉。当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时, 感测吊片就会停止向液体内部深入。这时候, 仪器的平衡感应器就会测量浸入液体的深度, 并通过计算将它转化成液体的表面张力值。

3. 实验步骤

(1) 打开SSW型微电脑恒温水槽预热至待测温度, 配制待测AMP-PZ溶液:将容量瓶用洗液清洗, 再用去离子水洗净后放入烘箱烘干, 待冷却后放入电子天平, 去皮后向容量瓶中加入定量的PZ, 之后继续去皮, 用移液管向容量瓶中加入定量的AMP, 最后加入去离子水。

AMP-PZ水溶液配置如下表:

(2) 用10m L移液管分别移取40m L AMP-PZ水溶液2份于玻璃瓶中, 测定通入二氧化碳前溶液及并将玻璃瓶 (带双孔塞) 的质量以便确定通入的二氧化碳质量, 后置于SSW型微电脑恒温水槽, 并在待测温度下通入二氧化碳至饱和 (通入二氧化碳半小时后测量质量, 之后每5分钟测量一次质量, 直到溶液质量不再增加为止) 。

(3) 计算饱和溶液中二氧化碳载荷, 并计算二氧化碳载荷 (a) 为0 (AMP-PZ原溶液) , 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6下的待测溶液中饱和溶液和原始溶液所占的比例。

(4) 分别配制二氧化碳载荷 (a) 为0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6的溶液各20ml。

(5) 测量二氧化碳载荷 (a) 为0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6的溶液的表面张力, 测量方法如下:

将恒温池两根通水管和恒温槽对接, 恒温槽开机, 控温表调到所需要的温度;

将被测液体倒入专用玻璃烧杯中, 挂上吊钩和吊片, 调整升降台高度, 使吊片尽量接近液面, 要求能保证测试中升降台上升时吊片能在温度上升到待测温度时接触到被测液体, 可使测量更准确。

将温度探头插入溶液中 (为了保证测量准确, 应该使探头不锈钢部分刚好全部插入水面) , 关上有机防风玻璃门。

观察张力仪温控表温度读数, 当温度接近待测温度时, 按“去皮”键, 使显示屏读数为0, 同时关闭恒温槽, 防止温度上升过快导致读数不准确。

当温度达到待测温度时, 按向上键, 升降台上升, 当吊片接触液面时, 平台自动停止, 显示读数时当指示灯第一次闪烁时记下读数, 该读数即为被测液体于该温度下的表面张力值。

测定结束之后打开有机防风玻璃门, 按向下键, 使升降台下降一定高度, 同时取下吊片和吊钩, 将吊片、玻璃烧杯和温度探头用去离子水和洗液清洗, 之后吊片用酒精灯灼烧, 温度探头用纸擦干, 待下次测定备用。

四、实验结果

不同浓度的AMP-PZ水溶液在20-50℃温度范围内的表面张力实验值如表2到表7所示。

五、实验结果分析

在给定二氧化碳载荷和AMP-PZ质量分率时, 分析温度对吸收液表面张力的影响。从结果可以看出, AMP-PZ质量分率和二氧化碳载荷一定时, 在20-50℃内, 带有一定载荷的二氧化碳的AMP-PZ水溶液的表面张力随着温度的上升呈近似线性的下降趋势。

结论

我国经济快速增长, 但同时也付出了巨大的资源和环境代价, 经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐。生产和生活过程中大量排放的二氧化碳作为温室气体, 其导致的温室效应也日趋明显, 而温室效应所带来的各种危害正严重威胁着我们地球自然生态系统和人类赖以生存的家园。在化石能源无法完全被新型清洁能源所取代的情况下, 二氧化碳的减排就成为解决环境问题的当务之急。目前, 二氧化碳减排的主要方法就是燃烧后脱碳、燃烧前脱碳、富氧燃烧技术和化学链燃烧技术。燃烧后脱碳包括化学溶剂吸收法、物理溶剂吸收法、吸附法、低温蒸馏法、膜分离和电化学等方法。而其中的化学溶剂吸收法尤其是醇胺法又因为其工艺成熟, 安全可靠, 脱除效率高, 运行稳定等众多优点, 在许多方面倍受青睐, 占有主导地位。

本次课题研究中, 我们在超级恒温槽保持温度恒定的情况下使用BZY-1全自动表面张力仪测定溶液的表面张力, 研究了不同温度, 不同浓度AMP-PZ水溶液吸收CO2前后表面张力的变化趋势。实验过程中, 我们分别配置了AMP/PZ为0.20/0.10、0.25/0.05、0.25/0.10、0.30/0.05、0.30/0.10、0.35/0.05时的水溶液体系。分别测定了在293.15K、303.15K, 313.15K, 323.15K, 333.15K时不同二氧化碳载荷 (0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6) 的吸收液表面张力。

根据所得实验数据所绘制的图表, 我们可以得出如下结论:

(1) 在AMP-PZ质量分率和二氧化碳载荷一定时, 在20-50℃内, 带有一定载荷的二氧化碳的AMP-PZ水溶液的表面张力随着温度的上升呈近似线性的下降趋势;

(2) 在温度和AMP-PZ质量分率一定时, 溶液的表面张力随着二氧化碳的载荷的增大而呈近似线性增大的趋势。

(3) 在同一吸收率下, 温度不变, AMP和PZ的浓度越高, 吸收液表面张力越低。

摘要：本文采用PZ来改良AMP试剂吸收二氧化碳的综合效果, 通过使用ZBY-1全自动表面张力仪测定了293.15～323.15K温度范围内, 具有不同二氧化碳载荷的2-氨基2-甲基1-丙醇哌嗪 (AMP-PZ) 水溶液的表面张力, 并对实验结果进行了分析。研究结果表明, 带有一定载荷的二氧化碳的AMP-PZ水溶液的表面张力随着温度的上升而降低, 温度一定时, 溶液的表面张力随着二氧化碳的载荷的增大而增大, 在同一吸收率下, 温度不变, AMP和PZ的浓度越高, 吸收液表面张力越低。

关键词：AMP-PZ水溶液,二氧化碳,表面张力