纳米流体强化吸收CO2的研究进展

河南科技
Henan Science and Technology 工业技术
总778期第八期
2022年4月
纳米流体强化吸收CO2的研究进展
张帅杜敏
（重庆交通大学，重庆400074）
摘要：纳米流体是纳米级颗粒混合于某些液态物质中形成的均匀稳定的溶液，其因良好的导热以及传质特性被广泛应用。

传统胺法吸收CO2因其传质速率和能耗问题近年来不断被改进。

将纳米流体用于胺类CO2吸收剂是一种关键新兴技术，可显著改善CO2的吸收并降低CO2解吸能耗。

本研究综述了纳米流体的制备、特性以及强化传质研究现状，提出试验工况、纳米流体配比等因素的优化方向，并对其应用前景进行了展望。

关键词：纳米流体；制备方法；CO2吸收
中图分类号：TQ021.4文献标志码：A文章编号：1003-5168（2022）8-0051-04 DOI:10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2022.08.011
Research and Development of Enhanced CO
2Absorption by Nanofluids
ZHANG Shuai DU Min
(Chongqing Jiaotong University,Chongqing400074,China)
Abstract:Nanofluids are uniform and stable solutions formed by nanoparticles mixed in certain liquid substances.It is widely used for its good thermal conductivity and mass transfer characteristics.The tra⁃ditional amine method for CO2absorption by alkanolamine has been continuously improved in recent years due to its mass transfer rate and energy consumption.The use of nanofluids for amine CO2absor⁃bents is a key emerging technology that can significantly improve CO2absorption rate and reduce CO2de⁃sorption energy consumption.The characteristics,preparation and mass transfer enhancement of nanoflu⁃ids in recent years are reviewed.The optimization directions of experimental conditions and nanofluid ra⁃tio are proposed,and the application prospect is also prospected.
Keywords:nanofluids;preparation method;CO2absorption
0引言
纳米流体一般指的是利用金属或者聚合物的微小颗粒（粒径1~100nm）等制作的胶体悬浮液。

它在传热传质方面表现出优良性能，使其可用于对传统胺法吸收—解吸CO2传质过程的改进。

1纳米流体的制备
纳米流体稳定性的高低很大程度上取决于它的制备过程。

如何制备稳定的纳米流体（NFs）是一个关键问题，制备稳定的纳米流体对提高其热导率具有重要作用。

美国科研工作者Choi等［1］利用气相沉积法制备纳米流体。

而Zhu等［2］在微波辐射下，利用五水硫酸铜和次亚磷酸制备纳米流体。

Wagle等［3］采用的是多元醇法制备纳米晶体颗粒，Guo等［4］采用的是电沉积法制备，Sun等［5］采用的是微乳液法，Neto 等［6］运用声化学法，Challagulla等［7］采用的是溶胶-
收稿日期：2022-02-18
基金项目：重庆交通大学研究生教育创新基金项目（2020S0040）；重庆交通大学教育教学改革研究基金项目（2020320100）。

作者简介：张帅（1995—），男，硕士生，研究方向：船舶动力装置节能减排。

通信作者：杜敏（1979—），男，博士，副教授，研究方向：船舶动力装置节能减排。

凝胶法，Anbarasu等［8］采用的是共沉法，Periyasamy 等［9］采用水热法。

制备纳米流体的方法很多，关键在于如何让纳米流体稳定，满足应用以及成本控制等方面的要求。

2纳米流体的基本特性
2.1导热率
传统的固液两相悬浮液导热率模型都是假设各相中的热传输是由扩散方程决定的，而纳米流体中纳米颗粒的运动比常规的固液悬浮液更为复杂，所以纳米流体的导热系数通常靠建模完成，分为扩展已有模型和开发新的模型。

Li和Xuan［10］进行Al2O3-水、Cu-水纳米流体的相关研究，试验结果证明，其导热率跟纳米颗粒比表面积成反相关，比表面积越大，导热率越差，比表面积越小，导热率越好。

2.2对流交换
纳米流体的对流交换主要体现在冷却领域，它能提高流体的对流交换性能。

总体来说，对流交换热系数的提高伴随有少量降压的增加。

纳米流体的流动性能包括颗粒运动、体积分数和流动速度等主要因素，而在这些因素中，纳米流体在对流交换中发挥重要作用。

2.3黏度
导热率主要反映能量的传输性质，而主要的输运特征是与动量相关的黏性。

基于试验测量黏性的结果，Einstein［11］提出了低浓度球形颗粒悬浮液的表达式。

Azmi等［12］同样针对不同的环境温度，考虑了不同的金属纳米颗粒，结合试验数据得出来半经验模型。

根据相关公式，王补宣等［13］提出了纳米粒子体积分数影响纳米流体的黏度。

有研究者表明纳米流体的黏度随颗粒浓度的增加而增大，随温度的升高而以指数形式降低，并且各种纳米流体的黏度随温度的变化趋势相似。

3不同条件下纳米流体对吸收CO2的强化3.1温度
何文修［14］利用稻壳灰中含有的SiO2，以碳化法和加入质量分数为1%的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）制备出稳定的纳米流体。

为了解SiO2对CO2溶解度的影响以及确定较佳浓度的SiO2，试验分别考察SiO2质量分数为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%时的工况以及CO2在纳米流体中的溶解度。

试验设定277.15K与293.15K两种温度，其压力-摩尔分数图如图1、2所示。

试验结果表明，温度对不同浓度的SiO2的纳米流体吸收CO2量的影响作用不明显。

为了验证温度对纳米流体传质速率的影响，该试验一共分为3组，如图3所示。

在水浴温度为25℃时，加了质量分数为0.2%的纳米Al2O3与2%MEA 混合进行试验，其吸收最低点在190000ppm左右，趋势由一开始的迅速下降后缓慢趋于平衡，CO2的平均脱除率为7.28%，试验时长为60min，一共吸收了0.017mol的CO2；当水浴温度为30℃时，该试验最低吸收点在168000ppm左右，CO2的平均脱除率为9.05%，试验时长为60min，一共吸收了0.021mol 的CO2；当水浴温度为35℃时，该试验最低吸收点在161000ppm左右，CO2的平均脱除率为13.18%，试验时长为60min，一共吸收了0.024mol的CO2；图4中点A为在水浴温度为25℃时，以2%MEA溶液吸收CO2的量作为单位系数1进行对比，点B为当水浴温度为25℃时，基液中加入了0.2%纳米Al2O3，此时其增强因子为1.08；点C为当水浴温度为30℃时，基液中加入了0.2%纳米Al2O3，此时其增强因子为1.35；点D为当水浴温度为35℃时，基液中加入了0.2%纳米Al2O3，此时其增强因子为图1压力-摩尔分数图（T=277.15K）
6
5
4
3
2
1
00100200300400500
1
3
m
p /kPa
0.1%SiO2纳米流体
1%SiO2纳米流体
0.5%SiO2纳米流体
0.2%SiO2纳米流体
图2压力-摩尔分数图（T=293.15K）
0100200300400500 3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1
3
m
p /kPa
0.1%SiO2纳米流体
1%SiO2纳米流体
0.5%SiO2纳米流体
0.2%SiO2纳米流体
1.53。

试验结果表明，虽然温度不能改变纳米流体对CO 2的吸收量，但是可以改变纳米流体对CO 2的吸收速率，吸收产生的化学反应速率会随着温度的
升高而加快，从而MEA 水溶液在纳米Al 2O 3的作用下，使得CO 2的吸收量增加。

3.2
浓度
Mahboobeh 等［15］用质量分数为10%的DEA 溶液进行吸收和测定，以质量分数为10%的DEA 作
为基液的纳米颗粒。

为了寻找纳米颗粒的最佳浓度，采取五种情况下不同的用量（质量分数为0.005%、0.01%、0.05%、0.1%、0.5%）的纳米颗粒进行测试，随着纳米颗粒浓度的增加，其传质能力增强。

当纳米颗粒含量的质量分数为0.5%时，SiO 2-DEA 纳米流体相对于基液的传质增强达14%。

3.3
粒径
根据不同的纳米粒径和种类形成的流体，Hamed
等［16］
采用了3种不同的金属纳米颗粒（表1）制备的
NFs 。

在试验过程中，分别采用了质量分数为0.05%、0.1%、和0.2%的纳米流体浓度所制成的悬浮液进行
试验，并用动态散射（DLS ）分析。

其中Al 2O 3/（20nm ）
最大汽蚀余量平均数为28.9%，最大尺寸为28.2nm 。

Al 2O 3（40nm ）最大气蚀余量平均数为26.1%，最大尺寸为68.1nm 。

TiO 2（10~15nm ）最大气蚀余量平均数为24.8%，最大尺寸为43.8nm 。

TiO 2（25nm ）最大气蚀余量平均数为38.4%，最大尺寸为58.8nm 。

研究表
明，悬浮液在不添加任何添加剂的情况下也能保持相对稳定。

3.4
纳米颗粒种类
张树杨［17］采用了鼓泡设计装置的方法，将储存罐中的CO 2经过转子流量计，在恒温25℃的条件下，用WYV －V 型棱镜折射仪测定样品折射率，根据折射率与浓度的关系计算样品浓度。

试验结果如图5、6所示。

在乙醇条件下，图5分别为Al 2O 3-
乙醇、MgO-乙醇和SiO 2-乙醇纳米流体的气体吸收强化因子分布；图6是指在纳米粒子体积含量相同的情况下，纳米流体对气体的吸收强化因子随纳米颗粒粒径的变化关系图。

由图5分析得知，纳米流
体强化能力为Al 2O 3-乙醇>MgO-乙醇>SiO 2-乙醇。

当然，在不同工况下，纳米流体的强化能力也不同，
例如Al 2O 3-DEA<SiO 2-DEA 。

孙超杰和钱新贺［18-19］为了弄清试验过程中的化学反应速率对纳米颗粒产生的影响，选用乙醇胺、二乙醇作为吸收二氧化碳的吸附剂，通过加入不同固含量的MgO 、SiO 2、TiO 2、Al 2O 3纳米颗粒，制备了稳定性良好的多组分纳米流体，结果表明，在加入纳米颗粒后，纳米流体能够进一步吸收CO 2，且与其他颗粒相比较，其中
TiO 2颗粒的增强因子最大。

Al 2O 3、SiO 2纳米颗粒增
组分颜色粒径/nm 比表面积/（m 2/g ）
比热容/[(J/（kg·K ）]密度/(kg/m 3)热导率/[W/(m·K)]SiO 2白20~30180~6007302400
1.4
TiO 2白25—689.3380011.7
TiO 2白10~15100~150620
384011.7
Al 2O 3白40
>40880
392030Al 2O 3白20
>138840
389020表1
金属纳米流体的特性
图5粒子体积分数对强化因子的影响
1.61.41.21.00.00
0.02
0.040.06
0.08
0.10MgO
强化因子
Al 2O 3
SiO 2
体积分数/%
图3
温度对纳米Al 2O 3混合MEA 吸收CO 2的影响
时间/min
67
50
3317
浓度/p p m
260000240000220000200000180000160000140000
35℃（0.2%Al 2O 3+2%MEA ）
25℃（0.2%Al 2O 3+2%MEA ）
30℃（0.2%Al 2O 3+2%MEA ）图4温度与强化因子的关系
2.01.81.61.41.21.00.8
强化因子系数
D
C
B
A
1
2345
试验数据数
强因子相差不大，MgO 纳米颗粒增强因子最小，试验结果表明，纳米颗粒种类的不同是造成这种差异的主要原因。

4
总结与展望
①与纯水相比较，纳米流体基本不能明显改变CO 2的吸收量，但是能明显改变CO 2的吸收速率。

②由纳米粒子制备的纳米流体能够加强气液传
质能力，但是影响气液传质的能力因素较多，大多数
论文只是做了一个简单初步性探索试验和基础理论研究，特别是在CO 2的吸收方面，相关试验论文较少，因此建议对其传质能力方面做进一步的研究。

③不同工况下，试验的相关传质能力也可能发
生改变，所以要进行相关的机理分析，根据试验工况的条件而变化。

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图6颗粒粒径对强化因子的影响
1.41.31.21.11.0
60
5040
3020
100颗粒粒径/nm
强化因子
TiO 3-C 2H 3OH nanoliuid
0.01%
0.03%（体积分数）（体积分数）。