基于濕法再生的CO2吸附材料性能及應用研究.pdf

1、為解決全球變暖問題，CCS（二氧化碳捕集與封存）技術被認為是未來最具潛力的碳減排技術。但是，當前固定源CO2捕集存在再生能耗大、捕集成本高、投資高等難題。同時，即使全球所有的 CO2固定排放源均安裝 CO2捕集裝置，且捕集效率達90％，人為產生的CO2仍將有一半直接排放到大氣中。因此，為徹底解決全球變暖問題，空氣 CO2直接捕集成為重要的選擇。傳統(tǒng)的空氣 CO2捕集采用熱再生方法，再生溫度高，占地面積大，捕集成本巨大。針對這些問題，濕法

2、再生技術利用水的蒸發(fā)自由能作為能量來源，實現(xiàn)吸附劑再生，無需加熱，能耗低，無污染，且不受工業(yè)排放源限制，可以更加靈活、方便的利用CO2，節(jié)省了運輸成本。然而，濕法再生技術的研究仍處于初期階段，吸附劑種類有限，相關吸附動力學及熱力學仍缺乏系統(tǒng)深入的研究。本文以濕法再生技術為基礎，采用理論模型與實驗研究相結合的方法，對 CO2吸附動力學及熱力學行為進行系統(tǒng)深入的探究。在各項研究基礎上，提出一種集成CO2捕集與綜合利用的新途徑。
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3、文吸附劑的開發(fā)主要以季胺型強堿性陰離子交換樹脂為研究對象，采用相轉化法制備得樹脂粒徑分布均勻，表面富含多孔的異相吸附膜材料。同時自制旋轉床反應器，搭建 CO2吸附實驗平臺，測試膜材料的 CO2吸附性能。針對現(xiàn)有空氣CO2捕集動力學表征方法過于簡單粗略的問題，構建CO2吸附動力學模型，分析 CO2吸附過程中阻力分布，為確定 CO2吸附過程中阻力控制環(huán)節(jié)及吸附劑的優(yōu)化作指導。
　　采用理論模型與實驗研究相結合的方法，系統(tǒng)研究了膜厚、樹

4、脂粒徑、溫度及濕度對 CO2吸附動力學的影響。結果表明材料吸附動力學主要受樹脂顆?？刂啤Ｒ虼?，吸附材料動力學性能的優(yōu)化應重點考慮樹脂顆粒側的優(yōu)化，包括多孔樹脂的制備及樹脂粒徑的調整等。減小樹脂粒徑可顯著提高CO2吸附動力學，樹脂粒徑減小2倍，CO2吸附速率可提高5倍以上。大部分濕度情況下，將樹脂粒徑由20μm減小到1~2μm，吸附阻力中化學反應阻力所占份額增加到與產物層擴散阻力相當。濕度對CO2吸附過程中擴散及反應均有重要影響，隨相對濕

5、度增加，產物層擴散系數(shù)及化學反應速率常數(shù)呈下降趨勢，CO2吸附動力學由擴散控制向反應控制過渡。隨溫度增加，產物層擴散系數(shù)及化學反應速率常數(shù)均逐漸增大。樹脂粒徑減小到5μm左右時，溫度及濕度對 CO2吸附動力學的影響減弱。
　　以實驗研究為基礎，系統(tǒng)分析濕法再生吸附過程中 CO2與界面水的耦合作用，探索CO2與H2O吸附過程中傳質行為及反應熱變化，發(fā)現(xiàn)濕法再生CO2吸附過程中存在自冷卻現(xiàn)象，并分析自冷卻現(xiàn)象產生的原因。得出吸附劑與C

6、O2反應過程中CO2吸附放熱量為-57.18 kJ/mol CO2，界面水釋放過程中吸熱量為47.39 kJ/mol H2O，根據(jù)所得的結果可計算不同工況時吸附劑與CO2反應的反應熱。
　　根據(jù)濕法再生吸附-解吸附動力學實驗研究，提出一種集成空氣 CO2捕集與綜合利用的新途徑。將濕法再生捕集的 CO2一部分用于植物工廠促進綠色植物生長，為土地緊缺、條件惡劣的永興島地區(qū)的居民提供生活保障；另一部分通過F-T合成制備柴油，為來往海洋戰(zhàn)