吸附强化蒸汽重整制氢中CO2固体吸附剂的研究进展

吸附强化蒸汽重整（SESR）制氢技术是集重整反应（H₂生产）和选择性分离（CO₂吸附）于一体的新型技术。该技术的特点为采用固体吸附剂在高温下对CO₂进行原位脱除,以改变反应的正常平衡极限,提高烃类转化率,提高H₂产量,减少CO₂排放。在整个SESR制氢技术中,吸附剂的选择与反应条件至关重要。本文探讨了CaO、水滑石、Li₂ZrO₃、Li₂SiO₃以及双功能吸附剂在SESR制氢过程中的性能,总结了提高这些吸附剂吸附性能的不同方法。确定了固体吸附剂的反应条件,如温度、压力、水蒸气量等因素的影响及相关的反应机理。分析表明,CaO基吸附剂由于其低廉的价格及较高的吸附能力,被认为是最具潜力的吸附剂,然而在SESR制氢过程中,CaO基吸附剂面临着多次循环再生后吸附能力衰减的挑战。集吸附与催化双重功能的吸附催化材料由于可以克服SESR制氢中不同固体催化剂和吸附剂的匹配问题、降低所用固体材料的成本,从而使其在吸附强化蒸汽重整制氢方面具有巨大优势,并成为该领域未来研究的一个重要方向。     

用于二氧化碳捕获的固体吸附剂研究概述

CO₂作为温室气体,受到了全球的普遍关注,其捕获、应用和贮存技术成为了当下研究的热点问题。无论是对于CO₂的转化利用还是封存技术,其捕获是必要前提。近年来用于此领域的再生干燥吸附剂由于较低的能量需求和其他独特的属性引起了人们广泛关注。其中,碱金属(钠和钾等)碳酸盐因吸附温度低被视为有前途的吸附材料并常用作再生干燥吸附剂。但是基于Na₂CO₃和K₂CO₃的吸附剂具有反应速率慢或吸附剂再生温度高等问题。而活性炭吸附剂则有克服这些问题的特性。活性炭材料的比表面积、孔结构、表面性质、表面官能团都对CO₂的吸附有重要的影响,性能调控空间大。本文在介绍几种CO₂捕获技术基础上,对采用这些方法中常用的固体吸附剂进行了概述,对各种吸附剂优缺点进行了归纳,展望了碱金属碳酸盐及其包括活性炭在内的碳基复合材料在减少CO₂排放领域的应用前景。     

氧化镁基二氧化碳吸附剂的制备及改性研究进展

CO₂浓度的增加会引起全球变暖、海平面上升和冰川融化等环境问题，因此开发CO₂捕集技术刻不容缓。Mg O作为一种理想的CO₂吸附剂已成为研究热点。综述了Mg O基CO₂吸附剂的制备方法，探讨了不同方法对Mg O的比表面积、CO₂吸附容量和循环稳定性的影响。研究发现，采用沉淀法和溶胶-凝胶法制备的Mg O具有更大的比表面积和更多的碱性位点，有效地提高了其捕集CO₂的能力；采用熔盐掺杂改性法制备的Mg O基吸附剂对CO₂捕集能力显著提高，多次吸-脱附循环后仍保持较高的CO₂吸附容量。未来对Mg O基CO₂吸附剂的研究主要集中在MgO的改性方法、工艺条件优化和捕集机制等方面，进而推进MgO基CO₂吸附剂的工业化应用。     

掺杂Ce、Zr对CO2钙基吸附剂循环特性的影响

利用湿法混合-煅烧法将元素Ce、Zr掺杂到CO₂钙基吸附剂中,利用热重分析仪(TGA)研究了24种改性钙基吸附剂吸附CO₂的循环特性。研究发现:CeO₂散布在CaO晶粒之间可抑制晶粒融合,对吸附剂烧结有一定的阻碍作用;CeO₂可明显提高吸附剂在扩散控制阶段对CO₂的吸附速率,原因在于CeO₂中丰富的氧空位可促进CO₂以离子迁移的方式穿过表面产物层到达内部与CaO反应;吸附剂中CeO₂含量越高,稳定性越强;ZrO₂与CaO高温化合成具有高塔曼温度的CaZrO₃,均匀分散在CaO晶粒间,构成稳固的支撑骨架,有效抑制了吸附剂烧结。     

不同钙基吸附剂捕集CO2后的硫酸化反应特性研究

钙基吸附剂进行多次CO₂捕集后,碳酸化效率会大幅衰减,此时的吸附剂能否高效脱硫利用是值得重点关注的问题。鉴于此,筛选了高性能合成钙基吸附剂和天然石灰石吸附剂,通过热重分析仪分析对比其在多循环CO₂捕集后的碳酸化和硫酸化反应性能,采用微粒模型研究其硫酸化反应动力学特征。结果发现,高性能合成钙基吸附剂的碳酸化反应速率和CO₂吸附能力明显高于石灰石吸附剂。在长达500循环的CO₂捕集试验后,高性能合成钙基吸附剂的CO₂吸附能力比石灰石高10倍以上,其SO₂吸附能力相较于石灰石提升约40%。经历多次CO₂捕集反应循环后,2种吸附剂的硫酸化能力均有提升:其中,石灰石吸附剂的提升幅度更大,硫酸化转化率从26%提升到35%,而高性能合成钙基吸附剂的硫酸化转化率则从38%提升到43%。通过微粒模型计算发现,2种吸附剂的硫酸化反应均是与SO₂浓度相关的一级反应,多循环捕集CO₂反应后,石灰石吸附剂的硫酸化反应活化能下降接近30%,而高性能合成钙基吸附剂的硫酸化反应活化能只下降了5%。研究结果说明2种不同钙基吸附剂在进行循环CO₂捕集后,脱硫能力得到了不同程度的提高,且均可以较好地应用于SO₂的脱除。     

固废源CaO基CO2捕集材料的制备与捕集性能研究进展

CO₂捕集技术是当前应对全球气候变化、缓解温室效应的重要途径。利用含钙固体废弃物制备高效CaO基CO₂捕集材料有利于实现固废资源高值化利用、以废治废和清洁生产,具有重要的环境效益、经济效益和社会效益。基于固废源高效廉价CaO基CO₂捕集材料的良好应用前景,本文介绍了工业废渣、生物质和其他含钙固体废弃物的产生与资源化利用现状,综述了CaO基吸附剂的捕集原理、碳酸化动力学过程和CO₂捕集性能,对比了以不同含钙固体废弃物为前驱体制备CaO基吸附剂的吸附-脱附循环性能和不同改性方法对其吸附稳定性的影响,从经济角度分析了固废源CaO基吸附剂在钢铁厂、燃煤电厂和生物制氢中的应用潜力,展望了固废源CaO基CO₂捕集材料的应用前景和发展方向。该文旨在为固废源CaO基吸附剂前驱体的选择、吸附性能的提高和固废吸附材料的工业应用提供帮助。     

柔性碳纤维基吸附剂的制备及CO2吸附性能

为了解决粉末状固体吸附剂成本高、传质阻力大的缺点，以棉花碳化制得的碳纤维作为吸附剂载体，通过浸渍法负载五乙烯六胺(PEHA)制备了固体有机胺吸附剂。通过扫描电镜、物理吸附、红外、热重分析等对吸附剂进行表征，采用穿透曲线法对吸附剂的CO₂吸附性能进行测试。结果表明，在500℃碳化得到的碳纤维C500具有最大的比表面积(471 m²·g^-1)。50PEHA/C500吸附剂在75℃时吸附量可达到4.05 mmol·g^-1,CO₂吸附性能优异。对比粉末吸附剂，碳纤维之间具有更大的空隙，放大实验表明，50PEHA/C500比介孔氧化硅基吸附剂(50PEHA/SBA-15)具有更小的传质阻力。循环测试结果表明50PEHA/C500吸附剂具有优秀的再生性能。50PEHA/C500基吸附剂具有低成本、低传质阻力和优异的CO₂捕获能力，展现出良好的应用前景。     

钙基CO2吸附剂的惰性掺杂和形貌调控研究进展

有效捕集CO₂对于缓解亟待解决的温室效应、气候变暖、环境污染和能源危机问题具有重大意义。钙基吸附材料因为CO₂吸附容量高及成本低廉而受到了广泛关注。本文介绍了钙基吸附剂的CO₂吸附机理,着重阐述了显著提高吸附性能的两种改性方法,包括惰性掺杂和形貌调控。归纳了利用Zr、Ce、Mn、Mg、Al等塔曼温度较高或富含氧空穴的金属氧化物对氧化钙进行单掺杂和复合掺杂改性,针对合成方法、吸脱附条件、惰性组分掺杂量、钙基前体等不同参数对掺杂改性钙基CO₂吸附剂性能的影响进行总结。同时指出,采用聚苯乙烯小球、碳凝胶、碳球、表面活性剂等制备得到的中空结构球形钙基吸附剂或实心结构球形钙基吸附剂,具有良好的CO₂吸附容量和吸附稳定性。提出两种改性方法距离工业化应用还有较大的差距,亟需深入探讨吸附剂的结构与性能之间的关系,从而为吸附剂的设计提供理论指导。     

吸附法碳捕集固体胺吸附剂成型技术研究进展

吸附法碳捕集技术是实现工业过程或大气中CO₂分离与脱除的重要途径之一,高性能吸附剂的开发是该技术的关键。固体胺吸附剂由于其优异的CO₂吸附量、选择性以及较低的再生能耗,近年来受到了广泛的关注,但用于工业的成型吸附剂仍面临机械强度低、稳定性差和胺流失严重等关键难题,难以在工业中大范围的推广应用。本文分析了固体胺成型吸附剂制备面临的主要难题,重点总结了近年来国内外吸附剂成型技术的研发进展,并对固体胺工业吸附剂的发展方向进行了展望。未来固体胺吸附法碳捕集技术的研发重点在于立足吸附反应机理和工业烟气的特性,创新成型固体胺吸附剂制备技术,提升吸附剂的CO₂吸附量、胺效率、机械与循环稳定性,研发低能耗的配套吸附工艺和核心装置。     

二氧化碳捕集技术研究进展

由于全球温室效应不断增强,全球温度上升引发冰川融化,使得海平面上升和海水酸化。二氧化碳(CO₂)是人为排放温室气体的主要组成部分,占比四分之三。随着碳中和碳达峰目标的提出,CO₂捕集与封存(CCS)技术作为具有前景的策略正在引起全球关注。本文介绍了燃料燃烧前、富氧燃烧和燃烧后烟气中CO₂捕集技术,以及吸收、吸附和膜分离等CO₂分离技术,提出固体吸附剂对CO₂进行吸附和分离是一种具有应用前景技术,从CO₂吸附剂方面展望二氧化碳捕集技术研究方向。     

黏土矿物基无机杂化颜料研究进展

近年来,无机杂化颜料成为无机颜料领域的研究热点之一。黏土矿物是储量丰富、廉价易得的天然纳米物质,因具有独特的纳米片状、棒状和管状结构,成为构筑各种无机杂化颜料的理想基体材料。本文介绍了黏土矿物的结构特点,综述了黏土矿物基钴蓝、铋黄、铁红和其它色系杂化颜料的研究和应用进展,展望了黏土矿物基无机杂化颜料的未来发展方向。     

CO2矿物封存技术研究进展

CO₂捕集与封存技术是目前实现碳减排最有效的方法。其中,CO₂矿物封存（又称CO₂矿化）是利用CO₂与含钙镁硅酸盐矿物进行反应使CO₂以稳定的碳酸盐形式永久储存起来。本文首先介绍了CO₂矿化的基本原理和技术路线,其中间接矿化反应条件较温和、矿化效率更高、得到的产物也更纯,因此对于CO₂间接矿化的研究也更广泛。本文综述并对比了天然矿物及工业固废矿化CO₂的研究进展,指出工业固废更有利于CO₂矿化过程。工业固废矿化CO₂过程矿化CO₂的同时处理了工业固废,实现以废治废,因此它在经济上也是具有一定优势。在此基础上,本文以高炉渣为代表,介绍了其矿化CO₂的详细研究进展,指出采用可循环的助剂、回收高炉渣中有价元素可提升矿化过程经济性。对于CO₂矿化过程的放大试验、生命周期的评估及低能耗的新工艺开发将是CO₂矿物封存实现工业化的关键。     

多孔有机聚合物催化二氧化碳合成环状碳酸酯研究进展

二氧化碳（CO₂）捕集、利用和储存（CCUS）在全球能源结构转型中是一种极具潜力的策略,能够实现能源供给、基础原料产出以及限制气候变化。多孔有机聚合物（POPs）具有高CO₂吸附容量和吸附选择性、突出的结构特性以及优异的化学可调控性,其作为极具潜力的材料广泛应用于催化CO₂参与的有机反应中。其中,CO₂与环氧化物环加成生成环状碳酸酯的反应具有100%的原子经济性,且其产物也极具工业价值。本文基于CO₂环加成反应催化机制,从催化剂的合成方法、结构性质与组成特性角度出发,综述了POPs在CO₂/环氧化物环加成反应的研究进展,包括金属配合物类、氢键供体类、离子液体类、金属配合物/离子液体和氢键供体/离子液体等有机多孔聚合物体系。通过阐述POPs在催化CO₂制备高附加值环状碳酸酯反应中的研究现状和发展趋势,为POPs的开发与应用以及CO₂综合利用的工业化探索提供具有建设性的指导意见。     

二氧化碳转化为合成气及高附加值产品的研究进展

由于二氧化碳（CO₂）过度排放导致全球变暖日益严峻,发展零碳技术已成为人类社会面向可持续发展的战略选择。将CO₂捕集并转化为高附加值化学和能源产品,可以优化化石能源为主体的能源结构、有效缓解环境问题,并实现碳资源的充分利用,是一项可以大规模实现低碳减排的技术。本文重点介绍了CO₂高效利用新途径,通过二氧化碳-合成气-高附加值化学品的产品工艺路线,实现CO₂的资源化利用。对比综述了热催化法、电催化法和光催化法高效转化合成气的最新进展,总结了热、电、光催化制备合成气过程中催化剂的设计原理和方法以及目前工业化应用前景;简单概述了合成气作为重要平台分子,进一步通过费托合成路线或接力催化路线转化为低碳烯烃和液态燃料或芳烃等化学品过程中催化剂设计研究进展。最后,总结了大规模工业化CO₂转化为合成气及高附加值产品过程催化剂设计和反应器优化的技术难题,并对未来CO₂高效转化利用方向进行了展望。同时指出目前各技术还普遍存在反应机理不清晰、催化剂成本高以及缺乏大规模合成等问题,未来开发出高效、高活性、低成本且稳定的催化剂是各技术推广应用的关键。     

CO2甲烷化研究进展

CO_2是造成温室效应的主要气体,作为碳基能源使用的末端形态,CO_2也是种重要的基础碳源。因此,将CO_2转化为能源产品可以快速实现碳的循环,对环境与能源领域意义重大。介绍了CO_2的排放、回收以及资源化利用现状,从催化剂体系、反应机理、合成工艺以及工业化现状等方面系统地介绍了CO_2甲烷化的发展。针对H2供给对CO_2甲烷化应用的限制,分析了电解水制氢再与CO_2进行甲烷化反应的电制气(Pt G)技术的发展现状、工艺路线及其经济性,讨论了该技术在我国应用的可行性。提出随着CO_2捕集与新能源相关技术的发展,Pt G技术会更加成熟,将有望成为未来CO_2资源化利用的重要形式。     

工业废液吸收低浓度CO2：可行性及应用

化工燃料在提供能源过程中产生的低浓度CO₂废气可以被工业废液吸收。结合当前研究现状,介绍了用工业废液吸收低浓度CO₂废气的研究进展,并开展了可行性分析;归纳了CO₂废气与工业废液的反应原理,将其大致分为中和反应、复分解反应、微生物转化等反应类型,并讨论了其吸收动力学;总结了工业废液吸收低浓度CO₂废气的工艺装置与流程。在废液吸收废气的处理模式中,CO₂的吸收对降低碱液的pH、脱除废液中有害物质效果良好,同时还可以副产微纳米碳酸钙、生物柴油等高附加值产品,实现废弃资源的深度循环利用。此外,分析了工业废液吸收CO₂废气的生命周期评价,通过对能耗、碳排放和成本评估,进一步讨论了工业废液吸收CO₂废气对环境的影响及经济可行性。结合CO₂减排的前景,从工业应用的角度探讨了工业废液用作低浓度CO₂吸收剂面临的挑战,并对其未来产业化发展进行了展望。     

CO2氧化乙苯脱氢制苯乙烯钒基氧化物催化剂研究进展

与现有乙苯直接脱氢工艺技术相比,CO₂氧化乙苯脱氢工艺具有缓解直接脱氢热力学平衡限制、苯乙烯选择性高、能耗低和二氧化碳资源化利用等显著优势,有望成为一条从乙苯生产苯乙烯的绿色工艺路线。为此,在总结乙苯直接脱氢反应体系和现有工业技术特点、面临的问题和发展方向的基础上,本文较为全面地分析了CO₂氧化乙苯脱氢的特点和反应机理,探讨了现有催化剂体系普遍快速失活的关键原因,表明高性能催化剂研究依然是推进CO₂氧化乙苯脱氢工业化应用的关键。鉴于钒基氧化物催化剂表现出较高的活性,成为近年来CO₂氧化乙苯脱氢相关研究关注的重点。为此,从钒物种含量及其聚集态结构、催化剂的氧化还原和酸碱性、催化剂表面积炭及其作用等角度,综合分析了活性中心结构、反应机理等方面的相关研究进展,认为孤立态V⁵⁺及其含量可能是决定钒基氧化物催化剂活性的关键,其稳定性主要取决于催化剂的氧化还原特性,而积炭对催化剂活性和稳定性的影响则与其组成和石墨化程度密切相关。基于上述认识,认为强化CO₂的高效活化、抑制V⁵⁺的深度还原等是今后钒基氧化物催化剂研究的重点发展方向,而利用移动固定床或提升管反应器等进行工艺优化,对推进CO₂氧化乙苯脱氢工业化应用具有重要的研究价值。     

PEBA/氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

为了获得高性能的混合基质膜,有效捕集烟道气中的CO₂,设计了对CO₂有优异的扩散选择性和吸附选择性的氮硫共掺杂多孔碳球添加剂,实现了烟道气中CO₂/N₂的高效分离。选用表面含氧基团丰富的葡萄糖作为碳源,硫脲作为氮源和硫源,通过水热法制备了氮硫共掺杂碳球（NSC）,并用KOH活化,获得了具有多孔结构的氮硫共掺杂碳球（NSPC）,再加入聚醚嵌段酰胺（PEBA）中制备出PEBA/NSPC混合基质膜。采用FTIR、XRD和BET表征了材料的化学结构和孔结构,借助力学性能表征了膜的两相界面相容性。系统研究了PEBA/NSPC混合基质膜中葡萄糖与硫脲的质量比、NSC和KOH的质量比、NSPC的添加量、操作压力、操作温度,以及模拟烟道气条件对膜CO₂渗透性、CO₂/N₂选择性的影响。结果表明：NSPC材料成功实现了氮、硫元素的共掺杂,而且具有较好的孔结构。在操作温度25℃、操作压力0.2 MPa的条件下,混合基质膜中NSPC添加量为3%（质量）时气体分离性能最优,CO₂渗透系数和CO₂/N₂选择性分别为589 Barrer和64,相比纯PEBA膜分别提高了244%和139%。这是因为多孔碳球的微孔结构显著提高了CO₂的扩散选择性,同时氮、硫元素的掺杂因为酸碱相互作用和良好亲和性有效提高了CO₂的吸附选择性。稳定性实验表明,PEBA/NSPC混合基质膜在360 h连续运行过程中气体分离性能稳定,具有较好的工业应用前景。     

碳中和目标下的煤化工变革与发展

碳中和目标的达成将对我国煤化工产业的发展产生深刻的影响。本文分析了煤炭消费与煤化工的CO₂排放情况及煤化工在国家经济中的作用,指出碳减排技术与煤化工工艺耦合是实现煤化工碳减排与可持续发展的关键,现实地选择优化产业结构与提高能量利用效率的措施可明显但有限地降低CO₂排放量,认为要实现煤化工亿吨级规模的碳减排必须采用绿电绿氢、碳捕获与封存/碳捕获利用与封存（CCS/CCUS和CO₂）资源化利用技术。文中评述了近年来绿电绿氢、CCS/CCUS和CO₂资源化利用技术应用的主要进展,指出2030年碳达峰前这些碳减排技术将处于关键的示范考验期,能否成熟可靠将决定之后的煤化工发展走向,同时预测氢冶金与绿氨合成示范技术的推广应用将可能导致煤化工产业格局的重大变化。最后基于空气直接捕集CO₂技术与光电催化CO₂转化或模拟光合反应的研究进展,设想了未来可能呈现的零碳化工体系。