CaO固体颗粒物对提高船舶碱法脱碳效率的机理
王忠诚 周培林 许乐平 邱丰
摘要：
为减少船舶CO2排放，提出利用NaOH溶液吸收船舶尾气中的CO2，并通过添加CaO固体颗粒物的方法来提高对CO2的吸收率.通过分析CaO固体颗粒物对提高NaOH溶液吸收CO2的效率的影响机理，推导出CaO增强因子数学模型，实验得出其增强因子为1.1.CaO固体颗粒物对提高NaOH溶液吸收CO2的效果显著，对纯CO2气体的吸收率提高10%，对船舶模拟尾气的吸收率提高15.85%.CaO固体颗粒物对提高碱液吸收船舶CO2的效率有着非常重要的作用.
关键词：
船舶； CO2排放； NaOH溶液； CaO颗粒物； 吸收率； 增强因子
0引言
随着航运经济的高速发展，环境问题越来越受到人们的关注.船舶是海上运输的主要工具，每年向大气中排放大量的CO2气体[1]，造成环境破坏.2011年7月IMO海上环境保护委员会（MEPC）第62次会议通过的《经1978年议定书修订的1973年国际防止船舶造成污染公约》，确定了船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）和船舶能效管理计划（Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP）2项船舶能效标准.根据默认生效程序，于2015年强制执行该修正案[2]，对船舶CO2的排放进行了严格的限制.
随着颗粒物影响气液传质的研究不断深入，“增强因子”这一概念开始出现在人们的视野内.目前广泛采用气体与液体之间传质速度的比值来定义[3]增强因子
式中：Jact表示加入固体颗粒时的传质速率，Jout表示未加入固体颗粒物时的传质速率.该公式完美地反映了颗粒物对气液两相间传质的影响，能更好地反映实际情况.
研究发现，当微小的固体颗粒参与气液反应时，会在很大程度上提高气液反应的传质效率.YUAN等[4]和GUTIRREZORITIZ等[5]分别在搅拌釜中研究了气相组分在催化剂表面发生的零级和一级反应的传递过程，发现搅拌速度、气体进料率、催化剂颗粒浓度及粒径等可直接影响增强因子大小.WIMMERS 等[6]提出活性炭在水中形成的浆液在一个气体界面处有一个膜层，在这个膜内固体的浓度比液相主体里高得多.刘应书等[7]提出了填料吸收塔内乙醇胺溶液吸收 CO2的增强因子.提高碱液对CO2的吸收率，可以通过增加碱液的浓度或者提高循环液流量实现.如果单纯增加碱液浓度，势必造成药品消耗过多；如果增加循环液流量，也需要消耗更多的能量，既不经济也不环保.本文提出在碱液中加入固体颗粒物，可以从化学和物理两方面提高碱液对CO2的吸收率，减少药品用量，降低能耗.
本文研究在NaOH溶液中加入一定量的CaO固体颗粒物，提高碱液对船舶CO2的吸收率.研究了固体颗粒物对提高碱法脱碳效果的增强机理，为利用固体颗粒物提高碱法脱碳的效果提供了理论和实验基础.
1固体颗粒物传质机理
从目前的研究看，众多学者对固体颗粒物影响气液传质的机理并未得出统一的理论，不同实验产生的结果也不尽相同.利用固体颗粒物强化传质的主要方式[3]有：（1）颗粒在气液传质区，对气相组分只有物理吸附；（2）颗粒作为催化剂来催化气相组分参与化学反应；（3）颗粒与待传输的气相组分发生反应；（4）颗粒在气液传质区溶解后与气相组分反应；（5）上述4种情况的组合.本文涉及到的是（1）与（4）的综合传质机理.
1.1船舶碱法脱碳机理
当碱液中加入CaO固体颗粒物进行脱碳时，CaO固体颗粒物遇水立即生成Ca（OH）2，其反应方程式为
从式（4）可以看出，NaOH会再生，可以实现NaOH溶液循环利用，同时CaCO3沉淀析出.由于Ca（OH）2的式量是74，CaCO3的式量是100，所以在整个实验循环过程中，固体颗粒物的总量几乎是不变的.
1.2CaO颗粒物增强机理
在NaOH溶液中加入CaO固体颗粒物吸收船舶CO2的过程，实质上是伴随有化学反应的传质过程，既有化学反应传质增强作用，也有颗粒物本身物理传质增强作用.
1.2.1化学增强机理
CO2+Ca（OH）2k2CaCO3↓+H2O的液膜反应和扩散的动力学模型[1011]为
式中：cCO2和cCa（OH）2分别为CO2和Ca（OH）2在相界面处的浓度，kmol/m3；DCO2L和DCa（OH）2L分别为CO2和Ca（OH）2在液体中的扩散系数，m2/s；k2为二级反应速率常数，m3/（kmol·s）.
当x=0，cCO2=cCO2i
（cCO2i表示CO2的反应浓度，kmol/m3）
时，dcCa（OH）2dx=0；当x=δ，
cCa（OH）2L=
cCa（OH）2i
（cCa（OH）2i表示Ca（OH）2的反应浓度，kmol/m3）
时，-DCO2LdcCO2dx=1-δk2cCO2LcCa（OH）2L.这里，cCO2L和
cCa（OH）2L分别表示液体中CO2和Ca（OH）2的浓度，kmol/m3.
由于反应过程中Ca（OH）2的浓度几乎不变，且不挥发，所以界面间dcCa（OH）2idxx=0=0.因此，化学增强因子[1213]可以表示为
E=DCO2Lk2cCa（OH）2ik0Ltan HDCO2Lk2cCa（OH）2ikL
（7）
式中： k0L为无化学反应时的液相传质系数，kL为有化学反应时的液相传质系数，单位都为kmol/（m2·s·kPa）；H为亨利系数，m3·kPa/kmol.
结合式（5）和（6），代入边界条件并积分得
1.2.2物理增强机理
物理增强作用主要是气液间的传质作用.按照双膜理论[1415]，必须满足在气液相界面处A组分达到平衡状态，即CAi=HpAi，
其中：CAi为A组分在气液相界面处的浓度，kmol/m3； pAi为A组分在气液相界面处的分压，atm（1 atm=101.325 kPa）.
本研究内容满足该条件.那么CO2由气相主体扩散到气液相界面的速率方程[12]为
2实验条件
本次实验的主要目的是研究CaO固体颗粒物对船舶碱法脱碳效果的影响，实验流程见图1.
如图1所示，钢瓶中的气体（CO2或船舶模拟尾气）经减压阀减压，经气压表调节至略高于大气压力0.11 MPa，然后通过流量计调节至适当流量，由扩散器进入反应器中.为达到更好的吸收效果，在气体进入溶液之前，还需要扩散器将气泡细化.底部的高精度电子秤用来检测气体钢瓶中气体的质量减量及
反应器中溶液的质量增量.本实验通过齿轮泵实现整个系统循环.反应器直径为120 mm；反应器中溶液高度为240 mm，溶液质量约3 000 g；初始反应温度为25 ℃；扩散器直径为104 mm；气体通气率为1 L/min；实验时间为30 min，每隔2 min取样一次.
2.1实验气体
分别采用纯度为99.9%的CO2气体和船舶模拟尾气进行实验.船舶模拟尾气以曼恩柴油机公司生产的6S35型电喷柴油机尾气数据为基础，主要含有N2，O2，CO2，SO2等4种气体，其质量分数分别为80.09%，15.18%，4.69%和0.04%.
2.2实验药品
研究过程中，使用的药品均为合格的片状NaOH固体和颗粒状CaO固体，其中CaO颗粒的直径不大于0.3 mm.
具体参数分别见表1和2.
2.3测量仪器
测量仪器有高精度电子秤、天平和pH计.高精度电子秤2台，型号为ACS258，最大量程为15 kg，最高可精确至0.1 g；天平型号为JJ324BC，精度为0.1 mg；pH计型号为MP51202，精度为±0.002.
3实验结果及分析
为分析固体颗粒物对NaOH溶液吸收船舶尾气中CO2的影响，首先使用NaOH溶液对纯CO2气体进行实验，然后使用加入CaO颗粒物的NaOH混合液对纯CO2气体进行实验，最后用船舶模拟尾气进行实验验证.NaOH溶液对CO2的吸收率是指被吸收的CO2的质量与进入液体中的CO2的质量之比，用百分比表示.
3.1NaOH溶液对纯CO2的吸收率的影响
NaOH溶液的浓度为1 mol/L，体积为3 L；CaO加入量为1.25 g.NaOH溶液对CO2的吸收率随时间的变化规律见图2.
从图2可以看出：未加入CaO时，NaOH溶液对纯CO2的平均吸收率为89.20%，而加入CaO后平均吸收率上升到98.20%，吸收率提高了9%，这说明加入CaO颗粒物可以大大提高NaOH溶液对CO2的吸收率.由于CaO是碱性物质，遇水后迅速反应生成的Ca（OH）2，对CO2有一定的化学吸收作用，但是本次实验加入的CaO量为1.25 g，为0.030 7 mol，相对于NaOH的3 mol而言，其碱度相差近100倍，CaO的碱性吸收影响也只是1/100.实验过程中，溶液的平均反应温度为27.5 ℃，由Ca（OH）2在水中的溶解度与温度之间的关系[20]可知，27.5 ℃时Ca（OH）2溶解度为0.156 g，故有0.468 g的Ca（OH）2溶解在混合溶液中，固体颗粒物还剩1.184 g.再由式（3）可知，反应过程中生成的CaCO3沉淀也会参与到循环反应过程中，故在整个循环过程中，固体颗粒物的质量变化不大.然而，加入1.25 g的CaO固体颗粒物后，NaOH溶液对CO2的吸收率却提高了9%，这主要是由CaO固体颗粒物的物理作用引起的.
通过观察发现，Ca（OH）2颗粒物主要起到了两个作用：一是阻止气泡聚合.当CO2气体进入溶液后产生混乱的环流，Ca（OH）2颗粒物随着环流快速地穿梭于CO2气泡之间，抑制了气泡的相互聚合.二是吸附作用.Ca（OH）2颗粒物表面吸附一定量的微小CO2气泡，随着溶液的环流做不规则运动，微气泡减少直至从液面溢出，增加了气泡在溶液中的滞留时间，大大提高了吸收效果.
3.2CaO增强因子研究
为研究CaO固体颗粒物的增强因子，分别取2.500 0 g，1.250 0 g，0.750 0 g，0.375 0 g，0.187 5 g和0.093 7 g的CaO固体颗粒物重复上述实验.实验中发现，当加入的CaO质量超过2.500 0 g时，会产生大量的Ca（OH）2颗粒物沉淀，阻止气体释放，对CO2吸收不利，因此以2.500 0 g为CaO的最高量，并逐次减半探究CaO的增强作用，实验结果见图3.
图3
加入不同质量的CaO后NaOH溶液对CO2的吸收率
由图3可知：当加入CaO的质量为0.093 7 g时，平均吸收率为94.25%；随着加入的CaO量不断增加，吸收率也提高，这说明颗粒物越多，对气液之间的传质越有利；当加入CaO的质量为1.250 0 g时，NaOH溶液对CO2的平均吸收率达到了最大值，为98.20%；把CaO的质量加倍，提高到2.500 0 g时，吸收率反而略有下降，为97.41%，说明CaO固体颗粒物的质量对碱液吸收CO2的效果是有影响的，过多或过少都不利；当NaOH与CaO的物质的量之比达到135∶1左右时，NaOH溶液对CO2的吸收达到最大，其增强因子为1.1.
3.3使用船舶柴油机模拟尾气的实验验证
实际柴油机的尾气成分会受到很多因素的影响，如柴油机的类型、燃油的品质、船舶运行的工况等，因此不同柴油机的尾气成分往往差异较大.本次实验以曼恩柴油机公司生产的6S35型柴油机的尾气成分[20]为基础，选取
N2，O2，CO2，SO2这4种
更
具代表性的柴油机尾气成分，其质量分数分别为80.09%，15.18%，4.69%，0.04%.
首先使用纯NaOH溶液处理船舶模拟尾气，之后向同样浓度的NaOH溶液中加入1.5 g CaO重新进行实验.由于SO2的酸性比CO2的强，实验中假设SO2全部被吸收.NaOH溶液对船舶模拟尾气中可以发现，模拟尾气中CO2的总量较少，导致NaOH溶液对船舶模拟尾气中CO2的吸收率比对纯CO2气体的波动性大，但两次吸收率的整体走势大致相同，而主要的区别在于反应的前半段.这正是由于固体颗粒物的存在，短时间内就达到了良好的吸收效果.在未加入CaO固体颗粒物时，NaOH溶液对船舶模拟尾气中CO2的平均吸收率为80.65%，而加入CaO固体颗粒物后，平均吸收率达到96.50%.由此可知，无论是纯CO2气体还是船舶模拟尾气，CaO固体颗粒物都能够显著提高NaOH溶液对CO2的吸收效果，并且两种情况下吸收率的走势图都非常相似.
4结论
本文提出了向NaOH溶液中加入CaO固体颗粒物来提高其吸收CO2效率的方法，从化学和物理两个方面阐述了CaO颗粒物的增强机理，推导出CaO颗粒物在碱法吸收船舶CO2的应用中的数学增强模型，并通过实验的方法验证了固体颗粒物的增强效果.通过实验研究发现：在未加入CaO固体颗粒物时，NaOH溶液在吸收船舶CO2的过程中存在微小气泡积累过程，当微气泡在反应器上部形成环流后，吸收率慢慢提高，平均吸收率最高达到89.20%，达不到理想效果；加入CaO固体颗粒物后，吸收率大大提高，在NaOH与CaO的物质的量之比达到135∶1左右时吸收率达到最大，对纯CO2气体的平均吸收率达到98.20%，而对船舶模拟尾气中CO2的吸收率从80.65%提高到96.5%，可见CaO固体颗粒物对提高碱液对CO2的吸收率大有帮助，在未来的船舶尾气处理中有广阔的应用前景.
参考文献：
[1]
陈雷. 船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究[D]. 大连： 大连海事大学， 2010.
[2]彭传圣. 谈我国的《营运船舶CO2排放限值及验证方法》[J]. 航海技术， 2013（1）： 6769.
[3]胡晓纬. 吸附剂颗粒及污染物对CO2吸收过程影响的研究[D]. 天津： 天津大学， 2008.
[4]YUAN G， KEANE M A. Liquid phase catalytic hydrodechlorination of 2， 4dichlorophenol over carbon supported palladium： an evaluation of transport limitations[J]. Chemical Engineering Science， 2003， 58（2）： 257267.
[5]GUTIRREZORITIZ J， LPEZFONSECA R， EIGUEA G， et al. Mass transfer studies in the hydrogenation of methyl oleate over a Ni/SiO2 catalyst in the liquid phase[J]. Reaction Kinetics Catalyst Letters， 2000， 70（2）： 341348.
摘要：
为减少船舶CO2排放，提出利用NaOH溶液吸收船舶尾气中的CO2，并通过添加CaO固体颗粒物的方法来提高对CO2的吸收率.通过分析CaO固体颗粒物对提高NaOH溶液吸收CO2的效率的影响机理，推导出CaO增强因子数学模型，实验得出其增强因子为1.1.CaO固体颗粒物对提高NaOH溶液吸收CO2的效果显著，对纯CO2气体的吸收率提高10%，对船舶模拟尾气的吸收率提高15.85%.CaO固体颗粒物对提高碱液吸收船舶CO2的效率有着非常重要的作用.
关键词：
船舶； CO2排放； NaOH溶液； CaO颗粒物； 吸收率； 增强因子
0引言
随着航运经济的高速发展，环境问题越来越受到人们的关注.船舶是海上运输的主要工具，每年向大气中排放大量的CO2气体[1]，造成环境破坏.2011年7月IMO海上环境保护委员会（MEPC）第62次会议通过的《经1978年议定书修订的1973年国际防止船舶造成污染公约》，确定了船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）和船舶能效管理计划（Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP）2项船舶能效标准.根据默认生效程序，于2015年强制执行该修正案[2]，对船舶CO2的排放进行了严格的限制.
随着颗粒物影响气液传质的研究不断深入，“增强因子”这一概念开始出现在人们的视野内.目前广泛采用气体与液体之间传质速度的比值来定义[3]增强因子
式中：Jact表示加入固体颗粒时的传质速率，Jout表示未加入固体颗粒物时的传质速率.该公式完美地反映了颗粒物对气液两相间传质的影响，能更好地反映实际情况.
研究发现，当微小的固体颗粒参与气液反应时，会在很大程度上提高气液反应的传质效率.YUAN等[4]和GUTIRREZORITIZ等[5]分别在搅拌釜中研究了气相组分在催化剂表面发生的零级和一级反应的传递过程，发现搅拌速度、气体进料率、催化剂颗粒浓度及粒径等可直接影响增强因子大小.WIMMERS 等[6]提出活性炭在水中形成的浆液在一个气体界面处有一个膜层，在这个膜内固体的浓度比液相主体里高得多.刘应书等[7]提出了填料吸收塔内乙醇胺溶液吸收 CO2的增强因子.提高碱液对CO2的吸收率，可以通过增加碱液的浓度或者提高循环液流量实现.如果单纯增加碱液浓度，势必造成药品消耗过多；如果增加循环液流量，也需要消耗更多的能量，既不经济也不环保.本文提出在碱液中加入固体颗粒物，可以从化学和物理两方面提高碱液对CO2的吸收率，减少药品用量，降低能耗.
本文研究在NaOH溶液中加入一定量的CaO固体颗粒物，提高碱液对船舶CO2的吸收率.研究了固体颗粒物对提高碱法脱碳效果的增强机理，为利用固体颗粒物提高碱法脱碳的效果提供了理论和实验基础.
1固体颗粒物传质机理
从目前的研究看，众多学者对固体颗粒物影响气液传质的机理并未得出统一的理论，不同实验产生的结果也不尽相同.利用固体颗粒物强化传质的主要方式[3]有：（1）颗粒在气液传质区，对气相组分只有物理吸附；（2）颗粒作为催化剂来催化气相组分参与化学反应；（3）颗粒与待传输的气相组分发生反应；（4）颗粒在气液传质区溶解后与气相组分反应；（5）上述4种情况的组合.本文涉及到的是（1）与（4）的综合传质机理.
1.1船舶碱法脱碳机理
当碱液中加入CaO固体颗粒物进行脱碳时，CaO固体颗粒物遇水立即生成Ca（OH）2，其反应方程式为
从式（4）可以看出，NaOH会再生，可以实现NaOH溶液循环利用，同时CaCO3沉淀析出.由于Ca（OH）2的式量是74，CaCO3的式量是100，所以在整个实验循环过程中，固体颗粒物的总量几乎是不变的.
1.2CaO颗粒物增强机理
在NaOH溶液中加入CaO固体颗粒物吸收船舶CO2的过程，实质上是伴随有化学反应的传质过程，既有化学反应传质增强作用，也有颗粒物本身物理传质增强作用.
1.2.1化学增强机理
CO2+Ca（OH）2k2CaCO3↓+H2O的液膜反应和扩散的动力学模型[1011]为
式中：cCO2和cCa（OH）2分别为CO2和Ca（OH）2在相界面处的浓度，kmol/m3；DCO2L和DCa（OH）2L分别为CO2和Ca（OH）2在液体中的扩散系数，m2/s；k2为二级反应速率常数，m3/（kmol·s）.
当x=0，cCO2=cCO2i
（cCO2i表示CO2的反应浓度，kmol/m3）
时，dcCa（OH）2dx=0；当x=δ，
cCa（OH）2L=
cCa（OH）2i
（cCa（OH）2i表示Ca（OH）2的反应浓度，kmol/m3）
时，-DCO2LdcCO2dx=1-δk2cCO2LcCa（OH）2L.这里，cCO2L和
cCa（OH）2L分别表示液体中CO2和Ca（OH）2的浓度，kmol/m3.
由于反应过程中Ca（OH）2的浓度几乎不变，且不挥发，所以界面间dcCa（OH）2idxx=0=0.因此，化学增强因子[1213]可以表示为
E=DCO2Lk2cCa（OH）2ik0Ltan HDCO2Lk2cCa（OH）2ikL
（7）
式中： k0L为无化学反应时的液相传质系数，kL为有化学反应时的液相传质系数，单位都为kmol/（m2·s·kPa）；H为亨利系数，m3·kPa/kmol.
结合式（5）和（6），代入边界条件并积分得
1.2.2物理增强机理
物理增强作用主要是气液间的传质作用.按照双膜理论[1415]，必须满足在气液相界面处A组分达到平衡状态，即CAi=HpAi，
其中：CAi为A组分在气液相界面处的浓度，kmol/m3； pAi为A组分在气液相界面处的分压，atm（1 atm=101.325 kPa）.
本研究内容满足该条件.那么CO2由气相主体扩散到气液相界面的速率方程[12]为
2实验条件
本次实验的主要目的是研究CaO固体颗粒物对船舶碱法脱碳效果的影响，实验流程见图1.
如图1所示，钢瓶中的气体（CO2或船舶模拟尾气）经减压阀减压，经气压表调节至略高于大气压力0.11 MPa，然后通过流量计调节至适当流量，由扩散器进入反应器中.为达到更好的吸收效果，在气体进入溶液之前，还需要扩散器将气泡细化.底部的高精度电子秤用来检测气体钢瓶中气体的质量减量及
反应器中溶液的质量增量.本实验通过齿轮泵实现整个系统循环.反应器直径为120 mm；反应器中溶液高度为240 mm，溶液质量约3 000 g；初始反应温度为25 ℃；扩散器直径为104 mm；气体通气率为1 L/min；实验时间为30 min，每隔2 min取样一次.
2.1实验气体
分别采用纯度为99.9%的CO2气体和船舶模拟尾气进行实验.船舶模拟尾气以曼恩柴油机公司生产的6S35型电喷柴油机尾气数据为基础，主要含有N2，O2，CO2，SO2等4种气体，其质量分数分别为80.09%，15.18%，4.69%和0.04%.
2.2实验药品
研究过程中，使用的药品均为合格的片状NaOH固体和颗粒状CaO固体，其中CaO颗粒的直径不大于0.3 mm.
具体参数分别见表1和2.
2.3测量仪器
测量仪器有高精度电子秤、天平和pH计.高精度电子秤2台，型号为ACS258，最大量程为15 kg，最高可精确至0.1 g；天平型号为JJ324BC，精度为0.1 mg；pH计型号为MP51202，精度为±0.002.
3实验结果及分析
为分析固体颗粒物对NaOH溶液吸收船舶尾气中CO2的影响，首先使用NaOH溶液对纯CO2气体进行实验，然后使用加入CaO颗粒物的NaOH混合液对纯CO2气体进行实验，最后用船舶模拟尾气进行实验验证.NaOH溶液对CO2的吸收率是指被吸收的CO2的质量与进入液体中的CO2的质量之比，用百分比表示.
3.1NaOH溶液对纯CO2的吸收率的影响
NaOH溶液的浓度为1 mol/L，体积为3 L；CaO加入量为1.25 g.NaOH溶液对CO2的吸收率随时间的变化规律见图2.
从图2可以看出：未加入CaO时，NaOH溶液对纯CO2的平均吸收率为89.20%，而加入CaO后平均吸收率上升到98.20%，吸收率提高了9%，这说明加入CaO颗粒物可以大大提高NaOH溶液对CO2的吸收率.由于CaO是碱性物质，遇水后迅速反应生成的Ca（OH）2，对CO2有一定的化学吸收作用，但是本次实验加入的CaO量为1.25 g，为0.030 7 mol，相对于NaOH的3 mol而言，其碱度相差近100倍，CaO的碱性吸收影响也只是1/100.实验过程中，溶液的平均反应温度为27.5 ℃，由Ca（OH）2在水中的溶解度与温度之间的关系[20]可知，27.5 ℃时Ca（OH）2溶解度为0.156 g，故有0.468 g的Ca（OH）2溶解在混合溶液中，固体颗粒物还剩1.184 g.再由式（3）可知，反应过程中生成的CaCO3沉淀也会参与到循环反应过程中，故在整个循环过程中，固体颗粒物的质量变化不大.然而，加入1.25 g的CaO固体颗粒物后，NaOH溶液对CO2的吸收率却提高了9%，这主要是由CaO固体颗粒物的物理作用引起的.
通过观察发现，Ca（OH）2颗粒物主要起到了两个作用：一是阻止气泡聚合.当CO2气体进入溶液后产生混乱的环流，Ca（OH）2颗粒物随着环流快速地穿梭于CO2气泡之间，抑制了气泡的相互聚合.二是吸附作用.Ca（OH）2颗粒物表面吸附一定量的微小CO2气泡，随着溶液的环流做不规则运动，微气泡减少直至从液面溢出，增加了气泡在溶液中的滞留时间，大大提高了吸收效果.
3.2CaO增强因子研究
为研究CaO固体颗粒物的增强因子，分别取2.500 0 g，1.250 0 g，0.750 0 g，0.375 0 g，0.187 5 g和0.093 7 g的CaO固体颗粒物重复上述实验.实验中发现，当加入的CaO质量超过2.500 0 g时，会产生大量的Ca（OH）2颗粒物沉淀，阻止气体释放，对CO2吸收不利，因此以2.500 0 g为CaO的最高量，并逐次减半探究CaO的增强作用，实验结果见图3.
图3
加入不同质量的CaO后NaOH溶液对CO2的吸收率
由图3可知：当加入CaO的质量为0.093 7 g时，平均吸收率为94.25%；随着加入的CaO量不断增加，吸收率也提高，这说明颗粒物越多，对气液之间的传质越有利；当加入CaO的质量为1.250 0 g时，NaOH溶液对CO2的平均吸收率达到了最大值，为98.20%；把CaO的质量加倍，提高到2.500 0 g时，吸收率反而略有下降，为97.41%，说明CaO固体颗粒物的质量对碱液吸收CO2的效果是有影响的，过多或过少都不利；当NaOH与CaO的物质的量之比达到135∶1左右时，NaOH溶液对CO2的吸收达到最大，其增强因子为1.1.
3.3使用船舶柴油机模拟尾气的实验验证
实际柴油机的尾气成分会受到很多因素的影响，如柴油机的类型、燃油的品质、船舶运行的工况等，因此不同柴油机的尾气成分往往差异较大.本次实验以曼恩柴油机公司生产的6S35型柴油机的尾气成分[20]为基础，选取
N2，O2，CO2，SO2这4种
更
具代表性的柴油机尾气成分，其质量分数分别为80.09%，15.18%，4.69%，0.04%.
首先使用纯NaOH溶液处理船舶模拟尾气，之后向同样浓度的NaOH溶液中加入1.5 g CaO重新进行实验.由于SO2的酸性比CO2的强，实验中假设SO2全部被吸收.NaOH溶液对船舶模拟尾气中可以发现，模拟尾气中CO2的总量较少，导致NaOH溶液对船舶模拟尾气中CO2的吸收率比对纯CO2气体的波动性大，但两次吸收率的整体走势大致相同，而主要的区别在于反应的前半段.这正是由于固体颗粒物的存在，短时间内就达到了良好的吸收效果.在未加入CaO固体颗粒物时，NaOH溶液对船舶模拟尾气中CO2的平均吸收率为80.65%，而加入CaO固体颗粒物后，平均吸收率达到96.50%.由此可知，无论是纯CO2气体还是船舶模拟尾气，CaO固体颗粒物都能够显著提高NaOH溶液对CO2的吸收效果，并且两种情况下吸收率的走势图都非常相似.
4结论
本文提出了向NaOH溶液中加入CaO固体颗粒物来提高其吸收CO2效率的方法，从化学和物理两个方面阐述了CaO颗粒物的增强机理，推导出CaO颗粒物在碱法吸收船舶CO2的应用中的数学增强模型，并通过实验的方法验证了固体颗粒物的增强效果.通过实验研究发现：在未加入CaO固体颗粒物时，NaOH溶液在吸收船舶CO2的过程中存在微小气泡积累过程，当微气泡在反应器上部形成环流后，吸收率慢慢提高，平均吸收率最高达到89.20%，达不到理想效果；加入CaO固体颗粒物后，吸收率大大提高，在NaOH与CaO的物质的量之比达到135∶1左右时吸收率达到最大，对纯CO2气体的平均吸收率达到98.20%，而对船舶模拟尾气中CO2的吸收率从80.65%提高到96.5%，可见CaO固体颗粒物对提高碱液对CO2的吸收率大有帮助，在未来的船舶尾气处理中有广阔的应用前景.
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