现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (11) : 150-156. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.11.025

科研与开发

基于中空纤维膜的飞灰水洗液脱钙固碳研究

李宗阳 ¹^,³^,^* ,
张勇骏 ² ,
赵峰娃 ⁴ ,
邓会宁 ⁵ ,
刘燕 ⁵

作者信息 +

Research on decalcification and carbon sequestration of fly ash washing liquid based on hollow fiber membranes

LI Zong-yang ¹^,³^,^* ,
ZHANG Yong-jun ² ,
ZHAO Feng-wa ⁴ ,
DENG Hui-ning ⁵ ,
LIU Yan ⁵

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2026-01-21		2026-11-20
Issue Date	Revised Date
2026-11-11	2026-01-21

PDF (2054K)

摘要

提出了一种基于中空纤维膜气体分布器的飞灰水洗脱钙固碳协同处理方法,系统研究了气体流量、液体流量、曝气面积和混合气比例对脱钙固碳效果的影响。实验结果表明:增加进气流量可以加快飞灰水洗液吸收CO₂的速率,但是会对CO₂的固定率产生负面影响;进气过程中通入N₂可以提高出口气速,使气泡分布更均匀,但是会降低CO₂的分压,不利于CO₂溶解吸收;加快液相流速可以在一定程度上降低液膜厚度,促进气液传质;增加曝气面积可以改善气泡分散效果,进一步提升气液传质效率。实验证明,中空纤维膜能够高效生成微小气泡,显著提高气液传质效率,从而优化脱钙固碳过程。

Abstract

This paper proposes a synergistic treatment method for decalcification and carbon sequestration of fly ash washing liquid based on a hollow fiber membrane gas distributor.The effects of gas flow rate,liquid flow rate,aeration area,and mixed gas ratio on the efficiency of decarbonization and carbon sequestration were systematically investigated.The results indicate that increasing the gas flow rate accelerates the CO₂ absorption rate by the fly ash washing liquid but negatively impacts the CO₂ fixation rate.Introducing N₂ during the gas inflow process increases the outlet gas velocity,leading to more uniform bubble distribution;however,it reduces the partial pressure of CO₂,which is unfavorable for CO₂ dissolution and absorption.Increasing the liquid flow rate can reduce the liquid film thickness to some extent,thereby promoting gas-liquid mass transfer.Expanding the aeration area improves bubble dispersion,further enhancing gas-liquid mass transfer efficiency.The experiments demonstrate that the hollow fiber membrane can efficiently generate micro-bubbles,significantly improving gas-liquid mass transfer efficiency and thus optimizing the decalcification and carbon sequestration process.

Graphical abstract

关键词

CO₂吸收 / 水洗液 / 中空纤维膜 / 气泡 / 传质

Key words

CO₂ absorption / washing liquid / hollow fiber membrane / bubbles / mass transfer

引用本文

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李宗阳,张勇骏,赵峰娃,邓会宁,刘燕. 基于中空纤维膜的飞灰水洗液脱钙固碳研究[J]. 现代化工, 2026, 46(11): 150-156 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.11.025

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全球气候变化已成为21世纪人类面临的最严峻挑战之一,而二氧化碳(CO₂)作为最主要的温室气体,其排放量的持续增加是导致气候变暖的主要原因。根据国际能源署(IEA)的数据,2022年全球CO₂排放量达到历史新高,凸显了碳减排的紧迫性。在此背景下,碳捕集、利用与封存(CCUS)技术被视为实现碳中和目标的关键途径之一^[1]。目前,主流的固碳方法包括地质封存、海洋封存以及矿物碳化等^[2]。其中,矿物碳化技术将CO₂转化为稳定的碳酸盐矿物(如碳酸钙),不仅能够实现CO₂的长期封存,还能产生具有经济价值的副产品,因而备受关注^[3-5]。垃圾焚烧飞灰水洗液中富含钙离子,而且其具有一定的碱度,因此可以用来吸收CO₂并将其转化为碳酸钙进行固定,从而实现“以废制废”的双重目标:既固定了CO₂,又脱除了水洗液中的钙,为飞灰的资源化利用开辟了新途径^[6]。

在飞灰水洗液脱钙固碳过程中,气液接触装置的性能直接影响CO₂的传质效率和反应速率。传统的气液接触装置,如鼓泡塔和填料塔等,存在气泡尺寸大、传质效率低、体积大、能耗高等缺点,难以满足高效固碳的需求。近年来,微孔扩散作为一种新型气液接触技术,因其能够产生微米级气泡、显著提高气液传质效率而受到广泛关注^[7-8]。微孔扩散在臭氧氧化处理污水领域已得到广泛关注,使用微孔扩散器进行臭氧曝气可以提升臭氧的溶解度,提高传质推动力,还可以产生微纳米气泡,增加了气液接触面积,大大提升了气液传质效率^[9-13]。此外,利用CO₂微纳米气泡制备纳米碳酸钙也已有初步研究,利用微纳米气泡制备得到的碳酸钙产品拥有更窄的粒径分布,而且可以通过改变气量来调控碳酸钙产品的粒径和形貌^[14-15]。本文使用中空纤维膜作为微孔扩散器,具有比表面积大、气泡尺寸小、占地面积小等优势,特别适用于高精度气液反应过程。通过中空纤维膜向飞灰水洗液中通入CO₂,不仅可以实现微气泡的高效分散,还能优化气液接触条件,从而显著提升脱钙固碳效率。

本文以中空纤维膜作为气体分布器,系统研究了不同操作参数对飞灰水洗液脱钙固碳效率的影响,旨在提供一种先进的分离设备,为飞灰资源化利用同步固碳技术的大规模推广理论依据和技术支持。

1 实验材料与试剂

1.1 材料

本实验所用垃圾焚烧飞灰水洗液由芜湖海螺环保科技有限责任公司提供。

1.2 试剂

PTFE中空纤维膜购自南京中科碧盾新膜科技有限公司(膜参数如表1所示);氢氧化钠(NaOH,分析纯),天津市风船化学试剂科技有限公司;盐酸(HCl,分析纯),福晨化学试剂有限公司;乙二胺四乙酸二钠(EDTA,分析纯),上海麦克林生化科技有限公司;钙试剂(分析纯),天津市光复精细化工研究所;二氧化碳(CO₂,工业级),天津威斯特科技发展有限公司;氮气(N₂,工业级),天津威斯特科技发展有限公司;去离子水(实验室自制)。

2 实验方法

2.1 实验内容

图1所示为飞灰水洗液固碳脱钙实验装置流程图。图1(a)中使用0.45 mm注射器针头作为气体分布器,并辅以搅拌对气泡进行破碎,以此模拟鼓泡塔中的气液传质过程;图1(b)中使用PTFE中空纤维膜组件作为气液接触反应器,膜组件能提供更大的气液接触面积,提高气液传质效率。

实验以CO₂气瓶作为碳源,通过质量流量控制器(CS200,Sevenstar)调节CO₂的进气流量。实验时取250 mL飞灰水洗液置于三口烧瓶中,使用恒温加热磁力搅拌器进行控温搅拌。进行图1(b)的实验时,使用磁驱齿轮泵(MG209XK,南京欧瑞克)调节飞灰水洗液的循环流量。

2.2 测试方法

实验过程中飞灰水洗液的pH由pH计(a-AB33pH ZH,奥豪斯)实时监测,以水洗液的pH下降速率反映CO₂的吸收速率;CO₂的通气总量由MFC控制软件(Digital-MFC-Tools V1)读取;脱钙前后水洗液的钙离子含量采用EDTA容量法测定。

3 结果与讨论

3.1 膜分散和鼓泡效果对比

使用图1中的实验装置进行了脱钙固碳实验,分别测试了鼓泡和中空纤维膜组件作为气体分布器时的传质效率。使用图1(a)装置以针头作为气体分布器进行实验,CO₂通气流量设置为20 mL/min,搅拌速率设置为500 r/min;使用图1(b)装置以中空纤维膜组件作为气体分布器进行实验,CO₂通气流量设置为20 mL/min,不开启磁力搅拌。实验过程中记录水洗液的pH,并在实验结束后取样测定水洗液的钙离子含量,以此计算脱钙率和CO₂利用率。

实验结果如图2所示,在相同的CO₂进气流量下,以中空纤维膜组件作为气体分布器时,水洗液的pH下降速率显著快于鼓泡装置,表明中空纤维膜组件具有更优的气液传质性能。这一现象主要归因于膜组件的多孔结构特性,其能够显著增加曝气面积,并在相同通气流量下生成更多的微小气泡。此外,流动的水洗液在循环过程中产生的剪切力有助于气泡从膜丝表面迅速脱离,使气泡尺寸更小,从而促进了CO₂向水洗液中的传递。相比之下,鼓泡装置由于气泡尺寸较大且分布不均匀,气泡与水洗液的接触时间较短,导致CO₂的溶解效率显著降低。因此,中空纤维膜组件在气液传质过程中表现出明显的优势,能够有效提升CO₂的吸收速率和传质效率。

图3所示为2组实验下飞灰水洗液的脱钙率和CO₂固定率,从图中可以看出,2组实验的脱钙率几乎相同,而使用中空纤维膜组件通气时,CO₂固定率显著高于鼓泡装置。这一差异主要归因于膜组件能够生成更小、更多的气泡,从而大幅增加了CO₂与水洗液的气液接触面积,显著提升了传质效率。此外,微气泡在液相中的停留时间更长,进一步促进了CO₂的溶解和反应,提高了CO₂的利用率。相比之下,鼓泡装置生成的气泡尺寸较大且数量较少,气泡与水洗液的接触时间较短,导致大量CO₂未能充分溶解便逸出液面,从而降低了CO₂的固定率。因此,中空纤维膜组件在CO₂固定方面表现出显著优势,能够有效提高CO₂的利用效率。

3.2 膜鼓泡操作条件的影响

3.2.1 CO₂流量的影响

采用图1(b)所示的实验装置进行脱钙固碳实验,重点探究了CO₂进气流量对脱钙固碳效果的影响。实验中,使用填装6根中空纤维膜丝的膜组件作为气体分布器,CO₂进气流量分别设置为10、20、30、40 mL/min,水洗液的循环流量固定为40 L/h。实验过程中,实时监测水洗液的pH变化,以评估CO₂的吸收速率;实验结束后,取样测定水洗液的钙离子含量,并据此计算脱钙率和CO₂利用率。

首先考察了纯CO₂进气流量对脱钙固碳效果的影响,实验结果如图4所示。从图中可以看出,在液相流量保持不变的情况下,随着CO₂进气流量的增加,水洗液的pH下降速率显著加快,而脱钙率和CO₂固定率则随进气流量的增加而降低。这一现象的原因在于,增加CO₂进气流量会导致单位时间内更多的CO₂进入水洗液中参与反应,从而加速了OH^-的消耗,使得水洗液的pH迅速下降。然而,CO₂在气液两相间的传质以及化学反应需要一定的时间来完成,较高的气体流量缩短了CO₂在水洗液中的停留时间,导致部分CO₂未能充分参与反应便被排出,从而降低了CO₂的固定率。此外,随着CO₂进气流量的增加,反应装置内残余气泡的数量增多,这些气泡在停止通气后继续溶解并参与反应,导致水洗液的pH进一步下降。同时,生成的碳酸钙部分转化为碳酸氢钙并重新溶解到水洗液中,进一步降低了脱钙率。因此,尽管增加CO₂进气流量可以加快反应速率,但过高的流量会降低CO₂的利用效率和脱钙效果。

进一步考察了CO₂与N₂混合进气情况下CO₂进气流量对脱钙固碳效果的影响。实验中,CO₂与N₂的体积比为2∶8,CO₂进气流量分别设置为10、20、30 mL/min和40 mL/min,水洗液的循环流量固定为40 L/h,实验结果如图5所示。从图中可以看出,在混合进气条件下,随着CO₂进气流量的增加,水洗液的pH下降速率显著加快,而脱钙率略有下降但变化不大,CO₂固定率则随进气流量的增加而降低。增加气体流量可以改善气相的流体力学条件,减小气相边界层厚度,从而促进CO₂的溶解和吸收。然而,过高的CO₂进气流量导致单位时间内通入水洗液的CO₂量大幅增加,部分CO₂未能及时被吸收便逸出液面,从而降低了CO₂的吸收率。此外,N₂的存在虽然提高了气泡分布的均匀性,但也稀释了CO₂的分压,进一步限制了CO₂的溶解效率。因此,尽管增加CO₂进气流量可以加快反应速率,但过高的流量会降低CO₂的利用效率。

3.2.2 液相流速的影响

为探究液相流速对水洗液脱钙固碳效果的影响,采用图1(b)所示的实验装置进行脱钙固碳实验。实验中,保持CO₂进气流量不变,水洗液的循环流量分别设置为20、30、40、50 L/h和60 L/h。实验过程中,实时监测水洗液的pH变化,以评估CO₂的吸收速率;实验结束后,取样测定水洗液的钙离子含量,并据此计算脱钙率和CO₂利用率。

首先考察了CO₂与N₂混合进气条件下液相流速对水洗液脱钙固碳效果的影响。实验中,CO₂进气流量设置为20 mL/min,N₂进气流量设置为 180 mL/min,实验结果如图6所示。从图中可以看出,随着液相循环流量的增加,水洗液的pH下降速率先升高后降低。当液相流量为20 L/h时,pH下降速率最慢;而当液相流量为30 L/h时,pH下降速率达到最快。此外,水洗液的脱钙率随液相流量的增加呈上升趋势,而CO₂固定率则先升高后略有降低。

在低液相流速(20 L/h)下,液相提供的剪切力较弱,导致生成的气泡尺寸较大,液相湍流程度较低,液相边界层较厚,从而限制了CO₂与水洗液的气液传质效率。当液相流速增加至30 L/h时,液相剪切力增强,气泡尺寸减小,液相湍流程度提高,液相边界层厚度减薄,显著改善了气液两相间的传质效率。然而,当液相流速继续增加时,CO₂与水洗液的接触时间缩短,部分CO₂未能及时溶解便逸出装置,导致CO₂的吸收速率下降。因此,液相流速对脱钙固碳效果的影响呈现先促进后抑制的趋势。

进一步使用纯CO₂进行实验,考察了液相流速对水洗液脱钙固碳效果的影响。实验中,CO₂进气流量设置为10 mL/min,水洗液的循环流量分别设置为20、40、60 L/h,实验结果如图7所示。从图中可以看出,随着液相循环流量的增加,水洗液的pH下降速率先升高后降低,而脱钙率和CO₂固定率则随液相流量的加快而降低,这一规律与混合进气条件下的实验结果相似。

在低液相流速(20 L/h)下,液相提供的剪切力较弱,气泡尺寸较大,液相湍流程度较低,导致气液传质效率较差。当液相流速增加至40 L/h时,液相剪切力增强,气泡尺寸减小,液相湍流程度提高,气液传质效率显著提升。然而,当液相流速继续增加至60 L/h时,CO₂与水洗液的接触时间缩短,部分CO₂未能及时溶解便逸出装置,导致CO₂的吸收速率下降。因此,液相流速对脱钙固碳效果的影响呈现先促进后抑制的趋势,与混合进气条件下的实验结果一致。

3.2.3 混合气比例的影响

为探究混合气比例对水洗液脱钙固碳效果的影响,采用图1(b)所示的实验装置进行脱钙固碳实验。实验中,保持CO₂进气流量为20 mL/min,N₂流量分别设置为20、30、47、80、180 mL/min。实验过程中,实时监测水洗液的pH变化,以评估CO₂的吸收速率;实验结束后,取样测定水洗液的钙离子含量,并据此计算脱钙率和CO₂利用率。

图8展示了不同N₂进气流量下水洗液pH随通气时间的变化曲线,以及脱钙率和CO₂固定率的结果。从图中可以看出,随着N₂流量的增加,水洗液的pH下降速率先降低后升高,CO₂固定率也呈现先降低后升高的趋势,而脱钙率则无明显变化。在低N₂流量下,增加N₂流量会稀释CO₂的分压,同时气泡合并现象增多,导致气液接触面积减小,从而降低了CO₂的吸收速率。然而,当N₂流量进一步增加时,气体流速显著提高,膜组件内的湍流程度增强,液膜厚度减小,气液传质效率得到改善。此外,高气体流量下生成的气泡尺寸更小,进一步增加了气液接触面积,促进了CO₂的吸收。因此,N₂流量对CO₂固定率的影响呈现先抑制后促进的趋势,而脱钙率则相对稳定。

3.2.4 曝气膜面积的影响

本小节考察了曝气面积对水洗液脱钙固碳效果的影响。实验中,CO₂进气流量设置为20 mL/min,N₂进气流量设置为180 mL/min,水洗液的循环流量固定为40 L/h,膜组件分别填装2、4、6、8根和10根中空纤维膜丝,实验结果如图9所示。从图中可以看出,随着膜丝填装根数的增加,水洗液的pH下降速率显著加快,脱钙率先升高后趋于平缓,而CO₂固定率则呈现先升高后降低的趋势。

增加膜丝填装根数意味着曝气面积的增大,能够生成更多且更均匀的微小气泡,从而显著提高气液接触面积,促进CO₂的传质吸收。此外,气泡数量的增加增强了液相的湍流程度,减小了气液两相边界层厚度,进一步提升了CO₂的吸收速率。然而,当膜丝填装根数过多(如10根)时,CO₂出气气速过低,未能达到膜丝全部出气的临界气速,导致气泡分布不均匀,气泡尺寸增大且上升速度加快,缩短了气液接触时间,从而降低了CO₂的吸收效率。因此,曝气面积对脱钙固碳效果的影响存在一个最优范围,过小或过大的曝气面积均会限制CO₂的固定效率。

为进一步探究膜组件曝气面积对水洗液脱钙固碳效果的影响,采用纯CO₂进行实验。实验中,CO₂进气流量设置为10 mL/min,水洗液的循环流量固定为40 L/h,膜组件分别填装1、2、4根和6根中空纤维膜丝,实验结果如图10所示。从图中可以看出,随着膜丝填装根数的增加,水洗液的pH下降速率显著加快,脱钙率和CO₂固定率也呈现上升趋势。这一规律与混合气条件下的实验结果一致,但在本次实验中未出现膜丝出气不均匀或达不到临界气量的情况。

增加膜丝填装根数意味着曝气面积的增大,能够生成更多且更均匀的微小气泡,从而显著提高气液接触面积,促进CO₂的传质吸收。此外,气泡数量的增加增强了液相的湍流程度,减小了气液两相边界层厚度,进一步提升了CO₂的吸收速率。与混合气条件相比,纯CO₂实验中的气体流量较低,避免了膜丝出气不均匀的问题,确保了气泡分布的均匀性和气液传质效率的稳定性。

4 结论

本文采用以中空纤维膜为核心的气液接触反应器,系统研究了飞灰水洗液脱钙固碳过程中通气装置、气体流量、液相流速、混合气比例及曝气面积等因素的影响,得出以下结论。

(1)气泡尺寸是影响气液传质效率的关键因素。中空纤维膜能够生成更小、更分散的气泡,相较于针头鼓泡装置,其传质效率显著提高。

(2)在保持其他条件不变的情况下,随着进气流量的增加,气液两相传质速率加快,但CO₂固定率降低。这一规律在纯CO₂进气和混合气进气条件下均得到验证。

(3)液相流速对脱钙固碳效率的影响较为复杂。在20 L/h至60 L/h的流量范围内,气液传质效率随液相流速的增加先升高后降低,表明存在一个最优液相流速范围。

(4)在保持CO₂流量不变的情况下,增加N₂流量会导致水洗液脱钙固碳效率先降低后升高。CO₂分压和总气量的变化共同影响气液传质效率。

(5)在保持进气量不变的情况下,适当增加曝气面积能够生成更多的微小气泡,使气泡分布更加均匀,从而显著提升气液传质效率。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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