一、核心原理与分类

1. 物理脱碳（基于溶解度差异）

• 原理：CO?在水中的溶解度随温度升高、压力降低而显著下降（亨利定律）。通过加热水体或降低系统压力，使水中溶解的 CO?逸出，再通过曝气（通入空气）或抽真空将 CO?带出塔外。
• 典型设备：
  • 曝气脱碳塔：塔内填充填料（如多面空心球、鲍尔环），水流从塔顶喷淋，空气从塔底鼓入，水与空气在填料表面充分接触，CO?从水中扩散到空气中并随尾气排出。适用于中低浓度 CO?的去除（如反渗透产水脱碳）。
  • 真空脱碳塔：通过真空泵将塔内抽至负压（通常 0.04-0.06MPa），降低 CO?分压，使水中 CO?快速释放，再由真空泵将 CO?抽走。效率高于曝气法，适合对脱碳要求较高的场景（如高纯度水制备）。

2. 化学脱碳（基于化学反应）

• 原理：利用碱性吸收剂（如氨水、乙醇胺、碳酸钠溶液等）与 CO?发生化学反应，生成稳定的化合物（如碳酸盐、氨基甲酸盐），从而将 CO?从水或气体中分离。后续可通过加热、减压等方式使吸收剂再生（释放 CO?并循环使用）。
• 典型应用：
  • 化工领域（如氨合成）：用乙醇胺（MEA）溶液吸收原料气中的 CO?，反应生成氨基甲酸盐，吸收液经加热再生后释放高纯度 CO?，胺液循环使用。
  • 水处理领域：若水中 CO?浓度极高，可投加 NaOH 等强碱，直接与 CO?反应生成 Na?CO?，快速降低 CO?含量（但成本较高，通常作为辅助手段）。

二、核心结构（以物理脱碳塔为例）

• 塔体：圆柱形壳体（材质根据工况选择，如不锈钢、PVC、玻璃钢等），高度通常 3-8m，直径 0.5-3m（根据处理量设计）。
• 布水装置：位于塔顶，将待处理水均匀喷淋到填料层（如多孔喷淋管、布水器），确保水流与下方气体充分接触。
• 填料层：塔内核心区域，填充填料（如多面空心球、阶梯环），作用是增加气液接触面积（填料表面形成液膜，延长接触时间），提升 CO?脱除效率。填料高度根据脱碳要求设计（通常 2-5m）。
• 支撑与分布装置：
  • 填料支撑：位于填料层底部，支撑填料重量，同时保证气体均匀通过（如格栅、多孔板）。
  • 气体分布器（曝气脱碳塔）：位于塔底，将空气或惰性气体均匀分布到塔内（如布气管、气泡石），避免局部气液接触不足。
• 气液分离装置：位于塔顶（部分设备），如除雾器，防止喷淋水被气体携带出塔（减少水量损失）。
• 进出口与辅助接口：
  • 进水口（塔顶）、出水口（塔底）；
  • 气体进口（曝气塔底部）、气体出口（塔顶，排放含 CO?的气体）；
  • 真空接口（真空脱碳塔，连接真空泵）；
  • 排污口（塔底，定期排出沉积杂质）。

三、关键运行参数与优化

1. 水温：物理脱碳中，水温升高可降低 CO?溶解度（如水温从 20℃升至 40℃，CO?溶解度下降约 40%）。若原水温度低，可通过预热（如利用废热）提升脱碳效率，减少能耗（如降低曝气量或真空度）。
2. 气液比（曝气脱碳）：即空气流量与水流量的比值，通常控制在 15-30:1。比值过低，CO?无法充分逸出；过高则增加风机能耗，且可能导致水体溶解氧升高（若后续工艺需除氧，需额外处理）。
3. 真空度（真空脱碳）：真空度越高（压力越低），脱碳效果越好，但真空泵能耗越高。通常控制在 - 0.05 至 - 0.07MPa（表压），可平衡效率与能耗。
4. 水流速度与停留时间：水流在填料层的停留时间越长（流速越低），CO?逸出越充分。但流速过低会降低处理量，需根据塔体尺寸设计（通常滤速 10-20m/h）。
5. 填料状态：填料需定期清洗（如反洗），避免结垢、堵塞（如水中钙镁离子沉积），否则会减少气液接触面积，降低效率。

四、应用场景与优势

1. 典型应用

• 水处理领域：
  • 反渗透（RO）后处理：RO 产水 pH 较低（通常 5-6），含游离 CO?（约 10-50mg/L），易腐蚀后续管道（如锅炉、换热器）。通过脱碳塔将 CO?降至 5mg/L 以下，可提升水质稳定性，减少缓蚀剂投加量。
  • 纯水 / 超纯水制备：电子、制药等行业要求水中总溶解固体（TDS）极低，脱碳可降低后续离子交换树脂的负荷（避免 CO?与树脂反应消耗交换容量），延长树脂再生周期。
• 化工与能源领域：
  • 氨合成原料气净化：合成氨的原料气（如煤制气）中含 CO?（15-30%），需通过化学脱碳（如醇胺法）脱除至 0.5% 以下，避免 CO?与氨反应生成副产物。
  • 沼气提纯：沼气中含 30-40% CO?，通过化学吸收（如胺液）脱碳后，可得到纯度 95% 以上的甲烷（生物天然气）。

2. 核心优势

• 效率稳定：物理脱碳可将水中 CO?降至 5mg/L 以下，化学脱碳可将气体中 CO?降至 ppm 级，满足高精度需求。
• 能耗可控：物理脱碳（如曝气）能耗低（主要为风机耗电），可利用废热提升水温；化学脱碳虽需再生能耗，但吸收剂可循环使用，适合大规模脱碳。
• 适应性强：可处理不同流量（从几 m3/h 到数百 m3/h）、不同 CO?浓度的介质，且设备结构简单，维护方便（如定期清洗填料、更换易损件）。

五、与其他脱碳技术的对比

六、常见问题与解决

1. 脱碳效率下降：
   • 原因：填料堵塞（杂质沉积）、布水 / 布气不均匀（局部接触不足）、水温过低（物理脱碳）。
   • 解决：定期清洗填料；检查布水器 / 气体分布器，修复堵塞或破损；预热原水（如利用换热器）。
2. 能耗过高（曝气 / 真空塔）：
   • 原因：曝气量过大（曝气塔）、真空度过高（真空塔）、设备漏风 / 漏气（真空塔）。
   • 解决：根据出水 CO?浓度调整参数（如逐步降低曝气量至临界值）；检查塔体密封（如法兰、接口），修复泄漏。
3. 出水带气（真空塔）：
   • 原因：真空度过高导致水体 “沸腾”（释放大量气泡）、气液分离装置失效。
   • 解决：降低真空度至合理范围；更换或清洗除雾器。