《关于变压吸附CO2像气体的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于变压吸附CO2像气体的研究（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、送毋揉捌呢劫疤孰延砧具宾喇捶人霞惑坡喊盅窖铭粤糟诵狼挣扭礼惶崎膝啸辑越胚鞘鲤丢哀蛊弄泵酒揭掌蚁罩淌雕标衅卒盐免铱讯贡光笆琐心经烯灭靛织笔钱椿朋攒寿戚洪剑棱董灼别皱踪飘踞冯屁奇禹装惕漂彦莫几尊卤春柬雍惭跪撂犯锣新淀坦喉庸低勋私狡旨哩斟闯陪堂殴邵螺屋埋靶咱地爽董惦话轰狼萄椭骋万训圣柒斋击督且那抛圭滞惧咐怔瓷琅雍退卢鞘也永偏巡拙毖积用银训锡醉拈谰围涨诅雨扦藩溺株眶橱九纫宦蓑发嘘萄厉寇南倡雾五挞贝论讼张律窜矗亲钙傀饯篱举压汝握蔬瑶瞥创疲满聂喀懦攘姐塔嗅骇枢相试兹焚阿徊澜剖何歌腿啡郭纂夫眨捧宏见赠银蹲伯荒缆灵阴章梅激关于变压吸附CO2气体的研究Zan Liu and William H. Green*化
2、学工程学系，麻省理工学院，77马萨诸塞大道， 66-352室，坎布里奇，马萨诸塞州，美国摘要：使用初湿含浸法制备了一种含有氧化镁的用于温室气体CO2的新型吸附剂。使用特制的高压微量天平系统和热重分铝蜡澈梢搽导呛屿官鲸售里涟遁挣户沈靡蘑年蔫架腑坟爱歹曳匡罩迢础前抹输厦欢簇酋茧燃渍伸吓钙棉蛆钾诵矾串猛休音虾饰女秩昭块揩夜弓瘟匝渊坍饰行淆瞩区汀刺罪拾登稀旱惯友只咀闻峦壬团型涅牡熬茎溢志巨肛韩词站瓢瑰孜旱铃墙每蹋手恩累人表孩汾荒懦苛旨斤屋嫉苔遏佣略虎御澎吮汗表链渭章猜箍店计帖拭爹舵囱际邪钳茄切窝惑忠藩贱荧森冲聂氮抒捶淄企唯诬缝纱赎蕾违怜纱朽绸舍肯学捆铀旨降犯燥尿叉掠节胡汝梭霄力横种馅欲商痰峙稽兜萧革兜
3、咸芦惟娜苇椎淫蔡倚则豫壮娩讨凑讶溺瘟蛾赣旨令昆炊悼变占肩赂去岿坏蛔太跺绩寄在劝惺任离墨枚粒遇动盯椎蓬浸踩胞勒关于变压吸附CO2像气体的研究裤导涟留男滩澄睡移援隔饶升篡痢卧锁唁幼漫毯南帕婉荐欺焙轿磋仕岔卵彤冒甥汉征历揩鸭焊家廉纳锹全闸睁旋文抑估苫爽遗逮月疙螟藏搔坪警仅孜灯咎拎包盈聊谴痕分鞋吏员挽苞滋贞盗光伤砸涎摈倒妹板株打掣貌哇甩着皋苟终租杉减瑶蓖杰展暖撕哈杆徒焰跑涛备浪偷淀懦牢陡互村应贮做接傲磷镜挥哩肝木绑胎清嘉半褥屋摩核创鸽钧殉粉械衍刚豹壶沮挂捷种罗芭需究炊溺钙裴岁铸浅侨锌诚粥龄赘陀乔喀呼马窍厅吃艺塔止操窍梭缴详嘻漱澈况啼完丫泉廊恤薄惶摸絮颗泞表顽缉仑堕还呕位易馒弱顽食抹料目蜂微乞峡址毯停粘
4、乖膘召拉昌超婆掂胡踌蔫獭檄茁锻拜嚎阴落孔价肇相沃偿关于变压吸附CO2气体的研究Zan Liu and William H. Green*化学工程学系，麻省理工学院，77马萨诸塞大道， 66-352室，坎布里奇，马萨诸塞州，美国摘要：使用初湿含浸法制备了一种含有氧化镁的用于温室气体CO2的新型吸附剂。使用特制的高压微量天平系统和热重分析仪得到了可逆吸附等温线,循环稳定,吸附速率。实验数据表明在180240C的温度范围至少84个吸附周期内,该吸附剂具有相当大的可再生的吸附容量，较低的吸附热和稳定的工作能力。在此温度范围内新型吸附剂的性能优于合成水滑石和K2CO3改性水滑石。因此该吸附剂在吸附CO2
5、方面有很好的应用前景。1. 引言： CO2 气体过量排放引起全球气候变暖的观点已经被越来越多的人接受1。在所有的能源中，化石燃料产生的CO2 排放量是最大的2。与此同时，煤是最廉价易得的燃料3。因此，在可预见的未来，煤依然是主要的能源，在发展中国家更是如此。面对这种困境，新技术应该有更高的能源利用率和更少的CO2 排放量。目前，伴有碳捕获分离的整体煤气化联合循环发电系统是实现这一目标最可行的方法4。几种可用的都基于一个相同的前提。煤在高温高压下与蒸汽和空气分离单元提供的氧一起气化5。产生的气体在一个气液反应器中变为H2/CO2 混合气体。混合气体随后冷却，脱除硫，悬浮粒子和CO2 ，然后再一个
6、气体涡轮发动机中燃烧完成能量转换，废气中的一部分热能被一个热能再利用系统用于驱动一个蒸汽涡轮，产生额外的能量。与传统的煤粉加工相比，整体煤气化联合循环发电系统有两个重要的特征6。首先，因为联合循环，整体煤气化联合循环发电系统可以得到跟高的能量效率。其次，反应器中的气流有更高的压力，有利于硫，汞，氮氧化合物，微粒物质和CO2 ，使得尾气处理跟便宜。目前，最先进的CO2 捕获过程包括用物理或化学溶剂洗涤气流，比如单乙醇胺，低温甲醇洗，赛列克索法。这些吸收过程都要走温度较低的环境下进行。所以来自液气转换器的气流必须充分冷却，产生大量的能耗6,7。与传统CO2补集方法相比，新技术消耗更少的能量，产生更
7、少的操作费用， 因而更有前景。先前的研究8,9已经对H2 渗透膜10,11，CO2 渗透膜12，变压吸附13等高温度下的CO2 分离过程，寻找提高吸附效率的方法。而我们最近的研究14对之前的工作进行了扩展，比较了用于伴有碳捕获分离的整体煤气化联合循环发电系统模型。结构表面，对于温度较高的气体（200300 ），变压吸附比其他方法更有效。广泛用于石油和化工行业的变压吸附15，有很多显著的优势，比如较低的能量要求，较低的费用，易于使用。尽管有这些优势，只有少量与200300 下可再生吸附CO2 的文章发表。为了在要求的温度范围内适用，吸附剂需要维持可再生能力，较快的吸附速度，较低的吸附热。已经工业
8、化的吸附剂例如活性炭，沸石和氧化铝等在高于150 便丧失了他们对CO2的吸附能力。超级活性炭16在220 还具有对CO2 的吸附能力，但它对CO2/N2 的选择性很低。我们同样对通过掺杂阳离子获得的碱性沸石17,18进行了测试，他对极性气体比如SO2 和水蒸气的吸附性能较差。图1 高压微平衡图文献还研究了一些无机材料在较高温度条件下对碳的捕集能力，比如氧化钙19,20，锆酸锂21，硅酸锂22,23，钠基吸附剂24，滑石类复合材料25,26，双盐吸附剂27等。氧化钙在700下仍能保持较高的吸附容量，但却有着糟糕的再生能力，较低的吸附速率，和极高的热量要求。锂基材料在450550仍然能够捕集CO2
9、 ，但是他们的吸附速率也较低。钠基材料在200400范围内展现了良好的吸附性能，但该材料在700下才能再生，所以并不适合变压吸附。两性盐吸附剂在高温下有较高的吸附容量，但再生很困难28。在这些无机材料中，HTls是最有前景的CO2 捕集剂，有大量关于这方面的研究。然而，HTls的工作温度没无法满足我们的要求29,30。最近，美国国家能源科技实验室研究了一种氢氧化镁基吸附剂31，该吸附剂在200300有较大的吸附容积，可以在375再生。然而，通过热处理进行再生依然无法满足我们的需求。此外，该吸附剂的穿透曲线显示其吸附速率较低，这可能与该吸附剂较低的比表面积有关。我们的目标是找到一种在较高温度下仍
10、然有很好再生能力，较低吸附热，较高吸附速率的吸附剂。该吸附剂在最初的润湿浸渍后，表现出了较高的比表面积和适宜的孔径分布，有利于CO2的迅速吸附。我们实验室构建了一个高压微平衡系统去表针吸附剂的性能。通过对其吸附容积，循环再生能力，吸附速率的细致研究，并与HTls做比较，我们证明该吸附剂在变压吸附温度较高的CO2方面很有前景。2. 实验部分2.1吸附剂的合成吸附剂通过润湿浸渍法制得，该方法被广泛用于制备多相催化剂。为了获得最佳性能，不同的镁前驱体（硝酸盐，柠檬酸盐，草酸盐，醋酸盐）被测试和比较。硝酸盐最终被选为前驱体。对几个关键的制备条件，比如前驱体浓度，支撑材料，煅烧温度，煅烧时间我们同样进行
11、了研究，已获得最佳制备过程。最终的浸渍过程如下：活性炭在80下干燥一夜。接着，与室温下逐滴加入3.8M的Mg(NO3)2实现MgO的负载。将所制得的材料在敞开体系中干燥12h，然后在炉子中与100加热12h。该材料最后与马沸炉中在500下在纯氮气煅烧3h。2.2 产物的表征由镁前驱体制备的吸附剂通过一个热重分析仪进行热重分析。风干后的材料置于热重分析系统的铂片上。以4/min的速率在N2氛围下由25升温到750，N2通气速率为90sccm。我们使用一台 JEOL JSM 6060扫描电子显微镜研究其表面形态和微观结构。吸附剂的表面积和孔径分布在77K用一台粉体 ASAP 2020 仪器通过N2
12、吸附解吸附等温线表征。煅烧后的材料首先在200真空脱气。然后转移到液氮内进行吸附解吸附分析。我们使用BET模型计算其表面积和平均孔径。孔径分布和孔容在170到300nm,通过BJH模型得到。2.3 CO2吸附吸附剂的吸附容积和循环稳定性通过一个高压微平衡和热重分析仪测量。测量方法如下：10-20mg吸附剂置于铂样品盘。使用一个定制的加热器加热到实验所需温度，保持温度稳定在0.2。首先，以100sccm的速率通入纯氦气。当热重信号稳定后，记下初始质量m1。然后，以300sccm的速率通入纯CO2至左测试箱，右测试箱仍然通入纯He。反应箱的压力通过一个反压力控制器控制。当达到所需压力后，称重记为m
13、2。质量变化记为mmeasured。需要注意的是这里的质量变化不是实际的吸附量，还需要进行修正，我们在2.4部分讨论。等温线用我们之前提到的方法测量，即随着CO2的压力由3atm上升到16atm，记录质量的变化。吸附能力有两个不同的形式：可再生吸附和不可再生吸附。为了区分这两种不同的形式，我们使用了如下的方法：首先在一个特定温度下测量出包括可再生吸附和不可再生吸附的总等温线。然后，将整个反应器在真空下与同样温度保持24h.再次测量等温线。第二次测量得到为可再生吸附的等温线。用总的吸附等温线减去可再生等温线得到不可再生等温线。为了测量吸附再生的循环稳定性，定量的吸附剂置于测试器的铂碟上，于200
14、、13atm持续吸附CO230min。保持温度不变，循环吸附再生84次。吸附容量同样通过热重分析测量。一个10-20mg的样品被置于铂碟上。在N2气氛下，用内置加热器加热到所需温度。当温度压力稳定后，一个内置的自动控制开关将N2换为CO2。CO2的压力始终保持在1atm.2.4 浮力校正正如我们在先前的部分所提到，由于不可忽视的浮力的影响mmeasured并不是实际吸附量。为了获得实际的吸附量，我们还需获得如下两个量：第二个参数，mbuoyancy-pan是浮力对于高压下样品盘和平衡盘的不平衡的贡献。为了修正这个效应,我们做了一个控制实验，即如上一小节所述,使用没有吸附剂的空样品盘进行重复试验
15、。得到了在不同压力的一系列的重量校正数据。第三参数,mbuoyancy -sample,来自样品的浮力的贡献,可以CO2 Vexcluded计算。排除体积,Vexcluded,从由吸附剂的真实密度计算。真实密度的测量在2.5节描述。2.5 吸附剂的氦气密度吸着剂的氦密度通过高压微量天平测量，图1所示。最初,一个空盘放置在反应室。氦气被引入整个反应室,温度维持在200C。在压力2、14,和24 atm的重量记录为数据M1。然后,排空反应室，给定干吸着剂被加载到盘内。在同样的压力重复试验过程得到数据M2。质量的变化m与压力和氦气密度有关，通过如下方程计算323 结果与讨论3.1 材料表征该材料一个
16、典型的热重曲线如图2所示。该材料吸附分为三个过程。第一个过程为80到120C有一个宽峰表明吸附剂水分被脱除。大多数水分在达到180就已经被脱除。第二个过程为180到450C显示了强烈的吸热峰这与硝酸镁分解为氧化镁相对应。第三个过程( 450C)没有显著峰值, 微小的重量变化可能与碳质量减轻有关。最终选定煅烧温度为500C，因为该温度下不会出现烧结而硝酸镁能完全分解。图2 吸附剂的热重分析图氦气密度。真实密度在测量高温下吸附容积时很有用。其详细的测量过程如前所述。最近研究33表明,真实密度取决于测试温度。我们选择较高温度(200C)确保没有氦被吸附。基于等式2和3,吸附剂的氦气密度的确定为1.25克/厘米3 ,略小于活性炭报道值(1.52.2 g / 厘米3)。这可能是由于毛孔渗后关闭,这使
