鈉基固體CO2吸收劑脫碳-再生特性及改性機(jī)理研究.pdf

1、以CO2為主的溫室氣體的大量排放，給全球環(huán)境造成的危害日益嚴(yán)重，如何控制和減少CO2的排放已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。近年來(lái)，CO2捕集技術(shù)層出不窮，一種采用堿金屬基固體吸收劑捕集煙氣中CO2的技術(shù)逐漸成為世界各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一，表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，鈉基吸收劑資源豐富、價(jià)格低廉，但存在與CO2的反應(yīng)活性低、吸收速率慢、CO2脫除效果不理想等問(wèn)題，阻礙了該技術(shù)的發(fā)展。
　　針對(duì)鈉基吸收劑的上述問(wèn)題，本文進(jìn)行了相應(yīng)的研

2、究:
　　(1)考察了分析純Na2CO3和以NaHCO3為前驅(qū)物制備的鈉基碳酸鹽的碳酸化反應(yīng)特性。相比分析純Na2CO3，以NaHCO3為前驅(qū)物得到的Na2CO3碳酸化反應(yīng)速率增大、轉(zhuǎn)化率提高到73.9％。由于碳酸化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，而以NaHCO3為前驅(qū)物得到的Na2CO3微觀結(jié)構(gòu)散熱性差，因此反應(yīng)產(chǎn)物除了NaHCO3，還有Na2CO3·3NaHCO3生成。通過(guò)考察各樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征研究碳酸化反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)吸收劑碳酸化反應(yīng)特性的

3、差異主要是由于微觀結(jié)構(gòu)上的差異所致。
　　(2)綜合研究了以硅藻土、SiO2、ZrO2、TiO2和γ-Al2O3為載體的負(fù)載型鈉基吸收劑的微觀結(jié)構(gòu)和碳酸化反應(yīng)特性。發(fā)現(xiàn)以γ-Al2O3為載體能使吸收劑的微觀結(jié)構(gòu)得到顯著改善，Na2CO3和以NaHCO3為前驅(qū)物負(fù)載后均表現(xiàn)出較好的碳酸化反應(yīng)特性，碳酸化轉(zhuǎn)化率達(dá)到85％左右。對(duì)比分析了Na2CO3負(fù)載量對(duì)吸收劑碳酸化反應(yīng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)負(fù)載量在20％左右時(shí)，碳酸化反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)轉(zhuǎn)化

4、率高、CO2吸收量大。
　　(3)系統(tǒng)研究了Na2CO3/Al2O3吸收劑的碳酸化反應(yīng)和再生反應(yīng)特性及機(jī)理。研究并獲得了溫度和水蒸氣濃度對(duì)Na2CO3/Al2O3吸收劑碳酸化反應(yīng)特性的影響規(guī)律。Na2CO3/Al2O3吸收劑的碳酸化反應(yīng)溫度區(qū)間較窄，吸收劑的CO2吸收容量隨碳酸化反應(yīng)溫度的不同而變化極大，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，80℃時(shí)最低為10 mg CO2/g，60℃時(shí)最高為80.5 mg CO2/g。反應(yīng)氣氛中H2O濃度變化對(duì)碳酸

5、化反應(yīng)影響顯著，H2O濃度為3％-21％時(shí)碳酸化轉(zhuǎn)化率由7％升高至90％。探索了Na2CO3/Al2O3吸收劑的再生反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)吸收劑的再生過(guò)程與NaHCO3的熱分解過(guò)程相類似，在200℃的再生溫度下再生轉(zhuǎn)化率接近100％。
　　(4)首次提出摻雜TiO2改善Na2CO3/Al2O3吸收劑的碳酸化反應(yīng)特性，研究并獲得了TiO2及其摻雜量對(duì)復(fù)合Na2CO3/Al2O3碳酸化反應(yīng)特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)摻雜1％的TiO2后，復(fù)合吸收劑的

6、CO2吸收容量提高26％、碳酸化轉(zhuǎn)化率至少提高25％，碳酸化反應(yīng)速率明顯提高，碳酸化反應(yīng)時(shí)間縮短。碳酸化反應(yīng)產(chǎn)物為NaHCO3和Na2CO3·3NaHCO3。結(jié)合XPS和FTIR探究了TiO2分子的表面特性，揭示了TiO2分子極性及表面活性羥基團(tuán)對(duì)碳酸化反應(yīng)的促進(jìn)機(jī)理，分析了雙產(chǎn)物的生成原因?；赥iO2對(duì)復(fù)合Na2CO3/Al2O3吸收劑的改性機(jī)理，進(jìn)一步提出采用TiO(OH)2作為摻雜劑改性。研究并獲得了TiO(OH)2及其摻雜量對(duì)

7、復(fù)合Na2CO3/Al2O3碳酸化反應(yīng)特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)摻雜5％的TiO(OH)2后，復(fù)合吸收劑的碳酸化反應(yīng)特性亦有明顯改善，反應(yīng)速率明顯提高。TiO(OH)2復(fù)合改性吸收劑的碳酸化反應(yīng)產(chǎn)物與TiO2復(fù)合改性吸收劑相同。發(fā)現(xiàn)TiO2和TiO(OH)2本身在反應(yīng)前后保持穩(wěn)定，無(wú)其他含Ti化合物生成。探索了兩種復(fù)合改性吸收劑的再生反應(yīng)機(jī)理，證明TiO2和TiO(OH)2的摻雜不影響吸收劑的再生，發(fā)現(xiàn)Na2CO3·3NaHCO3的分解特性與

8、NaHCO3類似，在200℃內(nèi)能完全分解。
　　(5)首次提出采用MgO作為摻雜劑改性Na2CO3/Al2O3吸收劑。發(fā)現(xiàn)該復(fù)合吸收劑為雙活性組分吸收劑，摻雜的MgO在有水蒸汽存在的氣氛中，低溫下(60℃)亦能吸收CO2，生成Mg6Al2CO3(OH)16·4H2O。研究并獲得了MgO及其摻雜量對(duì)復(fù)合Na2CO3/Al2O3碳酸化反應(yīng)特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)摻雜5％的MgO能有效提高吸收劑的CO2吸收能力、帶來(lái)更快的反應(yīng)速率和更高的碳

9、酸化轉(zhuǎn)化率。探討了Mg6Al2CO3(OH)16·4H2O的生成對(duì)Na2CO3碳酸化反應(yīng)的促進(jìn)機(jī)理。探索了復(fù)合吸收劑的再生反應(yīng)機(jī)理，通過(guò)選取不同的再生溫度，探究了新產(chǎn)物Mg6Al2CO3(OH)16·4H2O的再生特性，發(fā)現(xiàn)Mg6Al2CO3(OH)16·4H2O需在310℃-400℃才能完全分解為基礎(chǔ)氧化物。但由于Mg6Al2CO3(OH)16·4H2O對(duì)碳酸化反應(yīng)具有促進(jìn)作用，故無(wú)需提高再生溫度以分解Mg6Al2CO3(OH)16·

10、4H2O，再生溫度仍選擇200℃。
　　(6)對(duì)比研究了Na2CO3/Al2O3吸收劑和各復(fù)合吸收劑在流化床中的碳酸化/再生特性和循環(huán)反應(yīng)特性。發(fā)現(xiàn)三種復(fù)合吸收劑的碳酸化反應(yīng)速率明顯高于Na2CO3/Al2O3吸收劑，特別是在碳酸化反應(yīng)的前10 min內(nèi)。發(fā)現(xiàn)隨循環(huán)次數(shù)增加，Na2CO3/Al2O3吸收劑和三種復(fù)合吸收劑的CO2吸收容量均略有衰減，Na2CO3/Al2O3吸收劑的碳酸化反應(yīng)時(shí)間明顯增加，而三種復(fù)合吸收劑的碳酸化反應(yīng)