鄔高翔，田 瑞

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710020）

二氧化碳是引起溫室效應(yīng)的重要物質(zhì)。根據(jù)國際社會(huì)對(duì)環(huán)境領(lǐng)域的相關(guān)要求，未來需要不斷減少二氧化碳的排放。在油氣田生產(chǎn)和作業(yè)的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，二氧化碳的產(chǎn)生對(duì)于環(huán)境保護(hù)工作而言十分不利。在另一方面，如果可以對(duì)二氧化碳進(jìn)行合理的利用，也可以為油氣田企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在對(duì)其進(jìn)行利用之前，首先需要對(duì)二氧化碳進(jìn)行捕集[1]。目前，國內(nèi)外提出了眾多的二氧化碳捕集方法，這些方法的機(jī)理不同，也具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，本次研究主要是對(duì)目前常見的二氧化碳捕集方法進(jìn)行深入研究，討論其作用機(jī)理和應(yīng)用優(yōu)勢，為推動(dòng)二氧化碳捕集技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 二氧化碳捕集方法研究

1.1 溶劑吸收法

二氧化碳捕集過程中的溶劑吸收法可以根據(jù)溶劑類型的不同分為兩種方法，分別是物理溶劑捕集法和化學(xué)溶劑捕集法，所謂的物理溶劑捕集法主要是依靠溶劑的溶解能力，對(duì)二氧化碳進(jìn)行捕集，這個(gè)過程中不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，該捕集方法具有捕集效率高、溶劑用量少等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)二氧化碳分壓相對(duì)較大時(shí)，可以使用該方法對(duì)其進(jìn)行捕集作業(yè)[2]。所謂的化學(xué)捕集方法主要利用二氧化碳與某些溶劑之間的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)二氧化碳進(jìn)行捕集作業(yè)，然后進(jìn)行物質(zhì)分解將二氧化碳脫離，最終達(dá)到純化二氧化碳的目的，該種捕集方法的捕集效率相對(duì)較高，捕集過程中的能耗相對(duì)較大[3]。

1.2 物理吸附法

吸附法主要依靠物質(zhì)之間的范德華力，對(duì)二氧化碳進(jìn)行選擇性的吸附，然后再通過降低壓力或者升高溫度的方式，將捕集的二氧化碳釋放出來，最終達(dá)到二氧化碳分離的目的[4]。該種方法的應(yīng)用成本相對(duì)較高，目前常見的吸附法可以分為兩種類型，分別是變溫吸附方法以及變壓力吸附方法，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于溫度的調(diào)節(jié)速度相對(duì)較慢，因此，使用變溫吸附法的效率相對(duì)較低[5]。對(duì)于變壓力吸附法而言，該種方法已經(jīng)在我國工業(yè)生產(chǎn)的氣體分離工作中得到了廣泛的應(yīng)用，目前常見的吸附材料有分子篩和沸石，對(duì)高性能無污染的吸附材料進(jìn)行研究開發(fā)是目前該領(lǐng)域面臨的問題。

1.3 膜分離法

所謂的膜分離法主要是根據(jù)氣體的篩孔效應(yīng)，不同分子與不同的材料將會(huì)產(chǎn)生不同的熱力效果以及動(dòng)力效果。根據(jù)此原理方法，可以從混合氣體中對(duì)二氧化碳進(jìn)行有效的吸附。首先需要將混合氣體輸送到含有薄膜材料的通道中，在薄膜材料位置處，二氧化碳可以溶解其中并通過薄膜，其它組分無法通過，最終實(shí)現(xiàn)了二氧化碳分離的效果，目前常見的薄膜材料有聚釩以及醋酸纖維等。該類型的二氧化碳捕集方法穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)，操作也相對(duì)較為簡單，但是薄膜材料成本相對(duì)較高，吸收效率也相對(duì)較低，對(duì)低成本高性能的薄膜材料進(jìn)行開發(fā)是膜分離法應(yīng)用中面臨的問題。

1.4 低溫分離法

在使用低溫分離法的過程中，首先需要對(duì)氣體進(jìn)行低溫壓縮處理，在氣體冷凝以后，根據(jù)氣體中不同組分沸點(diǎn)的差異，將二氧化碳脫離凈化。該方法在使用的過程中，二氧化碳的分離要求相對(duì)較高，在進(jìn)行低溫壓縮作業(yè)的過程中，需要消耗大量的能量，目前該種技術(shù)方法正處于研究階段。

2 二氧化碳捕集機(jī)理研究

2.1 穿梭機(jī)理

穿梭機(jī)理又可以被稱作為醇胺穿梭機(jī)理。該種機(jī)理認(rèn)為，在氣液交界面位置處，部分醇胺分子將會(huì)與二氧化碳相互結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生了氨基離子。這個(gè)過程中所需要消耗的醇胺分子也將會(huì)得到不斷的補(bǔ)充，但是醇胺離子的補(bǔ)充速度將遠(yuǎn)低于醇胺分子與二氧化碳的結(jié)合速度，此時(shí)系統(tǒng)中將產(chǎn)生一種擴(kuò)散作用，二氧化碳將會(huì)處于穿梭狀態(tài)，二氧化碳在溶劑中的傳質(zhì)速度得到了提升，二氧化碳的捕集效率也就得到了提高。

2.2 伯胺、仲胺捕集機(jī)理

所謂的伯胺分子以及仲胺分子主要指的是在氮原子周圍存在氫原子的分子，伯胺分子以及仲胺分子在水中非常容易出現(xiàn)水解作用，進(jìn)而使得整個(gè)溶解呈現(xiàn)堿性，堿性的溶液會(huì)與二氧化碳等酸性分子產(chǎn)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為兩性離子，該捕集機(jī)理又可以被稱之為兩性離子機(jī)理。該理論在20世紀(jì)60年代被首次提出，并使用乙醇胺與二氧化碳之間的反應(yīng)對(duì)其進(jìn)行了研究，該機(jī)理解釋了伯胺分子、仲胺分子與二氧化碳的反應(yīng)過程。部分學(xué)者認(rèn)為伯胺分子、仲胺分子與二氧化碳進(jìn)行反應(yīng)的過程中，會(huì)首先產(chǎn)生由疏松鍵所連接的中間產(chǎn)物，這種產(chǎn)物只是瞬間產(chǎn)生，存在的時(shí)間也相對(duì)較短，在中間產(chǎn)物的疏松鍵斷裂以后，最終才轉(zhuǎn)化為了溶劑分子。

2.3 叔胺捕集機(jī)理

所謂的叔胺分子指的是氮原子周圍沒有氫原子的分子，與伯胺分子以及仲胺分子不同，叔胺分子在于二氧化碳進(jìn)行反應(yīng)的過程中，并不會(huì)直接產(chǎn)生氨基根離子，而是產(chǎn)生了中間產(chǎn)物，最終生成了碳酸氫根離子。在整個(gè)反應(yīng)的過程中，叔胺主要起到催化的作用，這主要是因?yàn)槭灏贩肿訒?huì)與水中的氫鍵結(jié)合，進(jìn)而使得水中的氫氧根離子活性降低，二氧化碳的水化作用逐漸增強(qiáng)。

2.4 阻胺捕集機(jī)理

阻胺分子主要指的是氮原子周圍帶有空間阻結(jié)構(gòu)的分子，由于空間阻的存在會(huì)阻礙醇胺與二氧化碳的結(jié)合，因此，也會(huì)使得氨基甲酸鹽的活性降低，氨基甲酸鹽非常容易在水中產(chǎn)生水解作用，進(jìn)而產(chǎn)生了碳酸氫根離子，碳酸氫根離子的存在會(huì)使得二氧化碳的捕集速度提升。

3 結(jié)語

對(duì)于油氣田的生產(chǎn)作業(yè)，進(jìn)行二氧化碳的捕集既可以為油田企業(yè)創(chuàng)造額外的經(jīng)濟(jì)效益，又有利于環(huán)境保護(hù)工作，油田企業(yè)需要加強(qiáng)二氧化碳捕集技術(shù)研究，并加快捕集工程的應(yīng)用。目前工程中常見的幾種二氧化碳捕集技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于不同二氧化碳?xì)庠吹倪m用性有所差異，因此，油氣田企業(yè)需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)二氧化碳捕集技術(shù)進(jìn)行合理的選擇。