鈉基固體CO2吸收劑脫碳-再生特性及改性機理研究.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重，如何控制和減少CO2的排放已成為全世界關注的焦點問題之一。近年來，CO2捕集技術層出不窮，一種采用堿金屬基固體吸收劑捕集煙氣中CO2的技術逐漸成為世界各國學者的研究熱點之一，表現(xiàn)出廣闊的應用前景。其中，鈉基吸收劑資源豐富、價格低廉，但存在與CO2的反應活性低、吸收速率慢、CO2脫除效果不理想等問題，阻礙了該技術的發(fā)展。
　　針對鈉基吸收劑的上述問題，本文進行了相應的研

2、究:
　　(1)考察了分析純Na2CO3和以NaHCO3為前驅物制備的鈉基碳酸鹽的碳酸化反應特性。相比分析純Na2CO3，以NaHCO3為前驅物得到的Na2CO3碳酸化反應速率增大、轉化率提高到73.9％。由于碳酸化反應為放熱反應，而以NaHCO3為前驅物得到的Na2CO3微觀結構散熱性差，因此反應產(chǎn)物除了NaHCO3，還有Na2CO3·3NaHCO3生成。通過考察各樣品的微觀結構特征研究碳酸化反應機理，發(fā)現(xiàn)吸收劑碳酸化反應特性的

3、差異主要是由于微觀結構上的差異所致。
　　(2)綜合研究了以硅藻土、SiO2、ZrO2、TiO2和γ-Al2O3為載體的負載型鈉基吸收劑的微觀結構和碳酸化反應特性。發(fā)現(xiàn)以γ-Al2O3為載體能使吸收劑的微觀結構得到顯著改善，Na2CO3和以NaHCO3為前驅物負載后均表現(xiàn)出較好的碳酸化反應特性，碳酸化轉化率達到85％左右。對比分析了Na2CO3負載量對吸收劑碳酸化反應特性的影響，發(fā)現(xiàn)負載量在20％左右時，碳酸化反應時間短、反應轉化

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和再生反應特性及機理。研究并獲得了溫度和水蒸氣濃度對Na2CO3/Al2O3吸收劑碳酸化反應特性的影響規(guī)律。Na2CO3/Al2O3吸收劑的碳酸化反應溫度區(qū)間較窄，吸收劑的CO2吸收容量隨碳酸化反應溫度的不同而變化極大，在試驗溫度范圍內(nèi)，80℃時最低為10 mg CO2/g，60℃時最高為80.5 mg CO2/g。反應氣氛中H2O濃度變化對碳酸

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

6、CO2吸收容量提高26％、碳酸化轉化率至少提高25％，碳酸化反應速率明顯提高，碳酸化反應時間縮短。碳酸化反應產(chǎn)物為NaHCO3和Na2CO3·3NaHCO3。結合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對碳酸化反應的促進機理，分析了雙產(chǎn)物的生成原因?；赥iO2對復合Na2CO3/Al2O3吸收劑的改性機理，進一步提出采用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

7、復合Na2CO3/Al2O3碳酸化反應特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)摻雜5％的TiO(OH)2后，復合吸收劑的碳酸化反應特性亦有明顯改善，反應速率明顯提高。TiO(OH)2復合改性吸收劑的碳酸化反應產(chǎn)物與TiO2復合改性吸收劑相同。發(fā)現(xiàn)TiO2和TiO(OH)2本身在反應前后保持穩(wěn)定，無其他含Ti化合物生成。探索了兩種復合改性吸收劑的再生反應機理，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及其摻雜量對復合Na2CO3/Al2O3碳酸化反應特性的影響規(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、帶來更快的反應速率和更高的碳

9、酸化轉化率。探討了Mg6Al2CO3(OH)16·4H2O的生成對Na2CO3碳酸化反應的促進機理。探索了復合吸收劑的再生反應機理，通過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氧化物。但由于Mg6Al2CO3(OH)16·4H2O對碳酸化反應具有促進作用，故無需提高再生溫度以分解Mg6Al2CO3(OH)16·

10、4H2O，再生溫度仍選擇200℃。
　　(6)對比研究了Na2CO3/Al2O3吸收劑和各復合吸收劑在流化床中的碳酸化/再生特性和循環(huán)反應特性。發(fā)現(xiàn)三種復合吸收劑的碳酸化反應速率明顯高于Na2CO3/Al2O3吸收劑，特別是在碳酸化反應的前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時間明顯增加，而三種復合吸收劑的碳酸化反應