活性炭吸附CO2的基礎(chǔ)研究.pdf

1、CO2的大量排放引起了諸多潛在的環(huán)境和生態(tài)問題，控制CO2排放是世界范圍內(nèi)能源和環(huán)境領(lǐng)域的重點研究課題，多種CO2捕集方法正被研究或驗證?；钚蕴烤哂邪l(fā)達的孔結(jié)構(gòu)和豐富的表面化學(xué)性質(zhì)，有望成為一種從煙氣中分離CO2的高效吸附劑，目前已有通過變壓吸附法進行應(yīng)用的報道。然而，由于原料和制備工藝的不同，活性炭種類繁多，物理和化學(xué)性質(zhì)差異顯著，但文獻對活性炭性質(zhì)與煙氣CO2吸附分離能力間的關(guān)系認識不一致，眾說紛紜。本文采用工業(yè)普遍使用的動態(tài)變壓吸

2、附法，力圖深入認識活性炭吸附分離CO2的共性原理，并拓展CO2吸附理論，為活性炭用于煙氣CO2捕集提供依據(jù)。
　　描述CO2吸附的關(guān)鍵參數(shù)之一為CO2過剩吸附量。盡管動態(tài)變壓吸附法在實驗室研究中被廣泛采用以獲取該數(shù)據(jù)，但是由于該法測得的吸附量既包括吸附劑對CO2吸附（過剩吸附量），又包括系統(tǒng)死體積中存在的CO2量，因此，系統(tǒng)死體積的扣除對準確獲取過剩CO2吸附量至關(guān)重要。然而，多數(shù)文獻沒有考慮或者沒有合理扣除死體積。此外，結(jié)合CO

3、2吸附量與吸附理論可以獲得吸附參數(shù)，進而預(yù)測吸附趨勢，指導(dǎo)活性炭的定向制備。Kelvin方程是描述操作條件與氣體毛細冷凝（即孔填充）臨界孔徑之間關(guān)系的經(jīng)典理論，然而經(jīng)典Kelvin方程僅適用于臨界孔徑大于7.5nm的孔，難以關(guān)聯(lián)更小孔內(nèi)的臨界孔徑與操作條件的關(guān)系。
　　鑒于以上分析，本文首先在變壓吸附條件范圍內(nèi)(263.0-293.0K，CO2壓力0.01-0.20MPa)詳細研究了動態(tài)吸附法中各死體積（管路、閥門、AC堆積空隙）

4、對過剩吸附量的影響程度，以獲取準確計算CO2過剩吸附量的方法。在此基礎(chǔ)上，研究了活性炭的物理和化學(xué)性質(zhì)對吸附CO2的作用、煙氣中N2和SO2對CO2吸附的影響，并運用本論文獲取的過剩吸附量數(shù)據(jù)修正了Kelvin方程中的物性參數(shù)，得出以下主要結(jié)論:
　　(1)與CO2過剩吸附量相比，存儲在活性炭顆粒堆積空隙和孔道內(nèi)的CO2量很小，計算過剩吸附量時可以忽略不計;而CO2在系統(tǒng)死體積內(nèi)（管路、截止閥門和背壓閥）的累積量很多，尤其對吸附系

5、統(tǒng)較小的吸附裝置，其在計算過剩吸附量不能忽略，需要扣除。
　　(2)活性炭表面的含氧官能團不影響CO2吸附量。植物炭（椰子殼炭、棗核炭和杏核炭）的灰分以K和Ca為主，其中含K化合物有利于CO2的吸附;煤質(zhì)炭中灰分以Ca、Si、Al和Fe化合物為主，均不吸附CO2。評判灰分對CO2吸附的影響時應(yīng)以實際裝填的碳量為基準。在273.0-293.0K、0.01-0.10MPa下，亞微孔容(孔徑＜0.7nm)的大小決定CO2吸附量，亞微孔容

6、與CO2的吸附量幾乎呈線性關(guān)系;無論何種活性炭，其吸附CO2符合微孔填充理論，在263.0-293.0K、0.01-0.20MPa下，臨界填充孔徑為0.45-1.07nm。
　　(3)吸附質(zhì)在納米微孔中的物性不同于常規(guī)條件下物性，（如吸附態(tài)物質(zhì)的表面張力和密度），研究提出了修正Kelvin方程中表面張力和密度兩個物性參數(shù)的思路，歸結(jié)出了一個宏觀修正系數(shù)。吸附壓力為0.01-0.20MPa時，該系數(shù)隨壓力變化較小，溫度為263.0-